甲基膦酸二甲酯对链状碳酸酯火焰的抑制作用研究

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在“绿色化工”与“双碳”战略背景下,链状碳酸酯(碳酸二甲酯(DMC)和碳酸二乙酯(DEC))由于优异的理化性质及环保性能,在化工生产羰基化试剂、锂离子电池溶剂以及可再生含氧燃料添加剂等领域展现出了巨大的应用前景。然而,DMC和DEC作为含氧碳氢化合物,具有高度可燃性,导致相关火灾事故频发。因此,研究火焰抑制剂对DMC/DEC燃烧的抑制作用至关重要。甲基膦酸二甲酯(DMMP)具有低毒、高效以及对环境友好等特点,是极具潜力的哈龙替代物。目前,DMMP对含氧碳氢燃料火焰的抑制效率以及对燃料燃烧特性的影响作用均不够清晰。因此,本文围绕DMMP对DMC/DEC火焰的抑制作用开展了实验与理论研究,从而为DMC/DEC的火灾风险防控提供理论指导。本文首先研究了 DMMP对DMC/DEC扩散燃烧的抑制作用。通过自主构建的杯式燃烧器实验系统,定量评价了 DMMP与另外两种典型哈龙替代物(磷酸三甲酯(TMP)和全氟己酮(C6F12O))对DMC/DEC扩散燃烧的抑制效率,结果表明DMMP的抑制效率最高。DMMP对DEC扩散火焰的抑制效率要高于对DMC扩散火焰的抑制效率,同时DMMP的抑制作用具有一定的饱和效应。构建了 DMC-DMMP和DEC-DMMP的详细化学反应动力学机理,并验证了它们的准确性。利用完全搅拌反应器模型(PSR)以及反应分子动力学模拟(ReaxFF-MD)研究了DMMP对DMC/DEC扩散火焰的抑制机制。结果表明DMMP可以降低燃烧反应速率,提高扩散火焰熄灭温度,提高热解温度以及活化能,从而降低DMC/DEC的可燃性。机理层面的分析表明含磷基团之间的相互转化(主要为PO2<=>HOPO与PO2<=>HOPO2)会消耗DMC/DEC火焰中大量的H和OH自由基,从而降低DMC/DEC燃烧强度。添加DMMP后,含磷反应,尤其是HOPO2+H<=>PO2+H2O,是抑制DMC/DEC扩散火焰反应温度升高的主要反应。扩散火焰的稳定性实际由“预混反应核”控制,因此本文进一步研究了DMMP对DMC/DEC预混燃烧的抑制作用。结果显示DMMP对预混火焰的抑制效率要高于TMP、哈龙1301以及C6F12O。DMMP可显著降低DMC/DEC预混燃烧的层流燃烧速度、最大热释放速率、初始化学?和火焰不稳定性。DMMP对贫燃火焰的抑制效率要低于对化学当量以及富燃火焰的抑制效率。对基元反应及活性自由基进行了分析,发现DMMP主要依靠其化学反应效应(清除活性自由基)对DMC/DEC火焰进行抑制,而其化学热效应(吸热反应)没有抑制作用。链重组反应PO2+H+M=HOPO+M、HOPO2+H=PO2+H2O 以及 HOPO+OH=PO2+H2O为抑制燃烧的主要反应。提出的基于质量分数-勒夏特列混合规则模型(SL=(Σi=12(Y.i)/(SL,i)-1)可以很好地描述DMC/DEC-DMMP二元混合物的层流燃烧速度相关性。通过极限燃烧速度理论计算了 DMMP、CO2和H2O熄灭DMC/DEC预混火焰的最小浓度,发现DMMP与H2O/CO2对DMC/DEC预混燃烧具有较强的协同抑制作用。
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