过负荷故障聚氯乙烯铜导线绝缘材料热解行为变化研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.11.014

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (11): 94-100.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.11.014

过负荷故障聚氯乙烯铜导线绝缘材料热解行为变化研究

高鸽¹(), 李阳², 许洁²(), 王伟峰³, 李哲¹

^1.中国人民警察大学研究生二队，河北廊坊 065000
^2.中国人民警察大学物证鉴定中心，河北廊坊 065000
^3.西安科技大学安全科学与工程学院，西安 710054

收稿日期:2022-08-02 出版日期:2022-11-26 发布日期:2022-11-25
通讯作者: 许洁（1983—），女，讲师，从事火灾物证检验鉴定方面研究，756482991@qq.com
E-mail:1635773730@qq.com;756482991@qq.com
作者简介:高鸽（1998—），女，在读硕士研究生，从事电气火灾调查研究，1635773730@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(52074213);河北省自然科学基金资助项目(E2021507002)

Influence of overloaded failure on thermal degradation characteristic of poly（vinyl chloride） copper wire insulation

GAO Ge¹(), LI Yang², XU Jie²(), WANG Weifeng³, LI Zhe¹

^1.Squad two of Graduate Faculty，China People’s Police University，Langfang 065000，China
^2.Physical Evidence Appraisal Center，China People’s Police University，Langfang 065000，China
^3.College of Safety Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054

Received:2022-08-02 Online:2022-11-26 Published:2022-11-25
Contact: XU Jie E-mail:1635773730@qq.com;756482991@qq.com

摘要/Abstract

摘要：

以发生过负荷故障的聚氯乙烯（PVC）铜导线为研究对象，使用热重⁃红外光谱联用仪（TG⁃FTIR）对比分析了过负荷与未过负荷铜导线绝缘材料的热解特性差异；采用Flynn⁃Wall⁃Ozawa（FWO）法对绝缘材料的活化能进行求解，并结合红外光谱分析绝缘材料热解逸出气体种类，探究过负荷故障对铜导线绝缘材料热解特性的影响。结果表明，过负荷铜导线绝缘材料发生氧化热解放热的起始温度（408 ℃）低于未发生过负荷故障的铜导线（424 ℃），且发生氧化放热反应所需活化能（142.18 kJ/mol）远低于未发生过负荷铜导线（231.54 kJ/mol），表明过负荷故障会导致铜导线PVC绝缘材料更易发生氧化放热反应；过负荷故障会导致铜导线发生较为完全的脱HCl反应，致使故障导线起火燃烧后产生的腐蚀性HCl气体明显减少，同时其氧化放热反应温度变化范围较窄。

关键词: 聚氯乙烯铜导线, 过负荷, 热解特性, 活化能, 火灾危险性

Abstract:

An intensive investigation was carried out using thermogravimetric⁃infrared spectroscopy to evaluate the thermal degradation characteristic variation of poly（vinyl chloride）（PVC）⁃encapsulated copper wire after suffering from overloading compared to normal wire insulation materials. The activation energy of insulation materials were calculated using the Flynn⁃Wall⁃Ozawa method. The types of gases escaping from the pyrolysis of insulation materials were determined based on the infrared spectroscopy to explore the influence of overloaded failure on the thermal degradation characteristics of PVC insulation materials. The results indicated that the initial temperature of oxidation exothermic reaction of overloaded wire insulation material （408 ℃） was lower than that of normal wire insulation materials （424 ℃）. In addition， the activation energy required by the oxidation exothermic reaction of the insulation materials for the overloaded wire （142.18 kJ/mol） was far lower than that of the normal wire （231.54 kJ/mol）. This suggested that the overloaded wire insulation materials were prone to oxidation exothermic reaction compared to the normal wire insulation materials. The HCl removal reaction of PVC⁃based insulation materials during the failure⁃overloading process might result in a significant reduction in the corrosive HCl gas generated if the wire was burning. Meanwhile， the temperature range of the oxidation exothermic reaction became narrow.

Key words: poly（vinyl chloride） copper wire, overload, thermal degradation characteristic, activation energy, fire hazard

中图分类号:

TQ325.3

高鸽, 李阳, 许洁, 王伟峰, 李哲. 过负荷故障聚氯乙烯铜导线绝缘材料热解行为变化研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(11): 94-100.

GAO Ge, LI Yang, XU Jie, WANG Weifeng, LI Zhe. Influence of overloaded failure on thermal degradation characteristic of poly（vinyl chloride） copper wire insulation[J]. China Plastics, 2022, 36(11): 94-100.

图/表 8

图1 未过负荷和过负荷绝缘材料TG及DTG曲线

Fig.1 TG and DTG curves of normal and overloaded insulation materials

样品	热解阶段	热解起始温度/℃	最大质量损失速率温度/℃	热解终止温度/℃	质量损失率/%	最大质量损失速率/%·min^-1
未过负荷	第一阶段	188	286.1	342.0	60.16	-18.48
未过负荷	第二阶段	424	502.5	549.7	17.27	-5.93
过负荷	第一阶段	234	279.1	341.0	44.81	-15.67
过负荷	第二阶段	408	496.3	546.0	27.89	-5.21

表1 未过负荷和过负荷绝缘材料TG曲线特征温度点

Tab.1 Characteristic temperature points of TG curves of normal and overloaded insulation materials

图2 未过负荷和过负荷绝缘材料的TG曲线

Fig.2 TG curves of normal and overloaded insulation materials

图3 不同β下未过负荷和过负荷绝缘材料的DTG曲线

Fig.3 DTG curves of normal and overloaded insulation materials at different β

图4 未过负荷和过负荷绝缘材料的3D FTIR谱图

Fig.4 3D FTIR spectra of normal and overloaded insulation materials

图5 样品受热后逸出气体红外吸收光谱随温度的变化

Fig.5 Variation of the infrared absorption spectrum of the escaping gas of the heated sample with temperature

图6 不同转化率下FWO无模型函数的线性回归图

Fig.6 Linear regression of FWO model⁃free function at different conversion rates

转化率	未过负荷材料		过负荷材料
转化率	第一阶段	第二阶段	第一阶段	第二阶段
平均活化能	140.59	231.54	131.45	142.18
0.1	98.93	338.29	101.26	124.46
0.2	114.73	319.75	116.89	160.79
0.3	143.83	277.93	130.78	184.99
0.4	150.48	229.88	135.77	155.14
0.5	149.98	194.96	137.26	136.59
0.6	149.81	188.97	137.51	132.61
0.7	149.90	182.82	138.76	129.86
0.8	150.15	178.50	139.76	127.79
0.9	157.46	172.76	145.08	127.45

表2 基于FWO方法估算的过负荷与未过负荷绝缘材料不同转化率下的活化能 (kJ/mol)

Tab.2 Activation energies of normal and overloaded insulation materials at different conversion rates estimated through FWO method

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过负荷故障聚氯乙烯铜导线绝缘材料热解行为变化研究

Influence of overloaded failure on thermal degradation characteristic of poly（vinyl chloride） copper wire insulation

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