Study on Multiphase Pyrolysis Kinetics and Fire Early Warning Characteristics of Cable Sheaths and Insulating Layers
本研究结合热分析与动力学建模，阐明了多层电缆护套中梯度矿物填料如何调控热解机制与挥发性排放，并最终基于特定温度阈值与特征气体标志物，建立了一种旨在提升城市综合管廊安全性的两级火灾预警范式。
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在现代城市的街道下方，隐藏着复杂的公用事业隧道网络，它们承载着维持灯火通明和医院运转的电力。在这些黑暗、狭窄的空间内，厚重的电缆束通过塑料和橡胶层进行保护，在基础设施中蜿蜒穿行。这些被称为护套的外层以及内部绝缘层是抵御火灾的第一道防线。然而，当这些材料过热时，它们并不仅仅是融化；而是会经历一种称为热解的化学分解过程，即热量迫使固体塑料分解成气体。其中一些气体具有毒性，而另一些则具有易燃性，这可能使一个小小的电气故障演变成一场灾难性的大火。准确了解这些材料如何以及何时发生分解，对于设计能够检测到火灾并在其蔓延前发出预警的早期预警系统至关重要，从而为撤离和干预争取宝贵的时间。
来自中国人民警察大学和杭州公共交通有限公司的研究小组致力于以前所未有的精度绘制这一隐藏的化学过程图谱。他们不再将电缆材料视为简单的、均匀的整体，而是将其视为复杂的、多层级的系统，其中塑料内部矿物填料的数量会改变其在热力学下的行为。他们重点研究了现实世界电缆中的四种特定类型的材料：标准塑料护套、含有适量矿物添加剂的阻燃护套、含有高浓度矿物的耐火护套，以及由交联聚乙烯制成的内部绝缘芯。通过在受控环境中加热这些样品，同时测量其质量损失并分析其释放的具体气体，研究人员得以实时观察分解过程。
研究表明，内部绝缘层和外部护套的失效方式有着本质的区别。保护电流的内部绝缘层表现得像一个单一的、坚固的整体。当温度达到 400 到 500 摄氏度的临界点时，它会经历快速的单阶段坍塌，瞬间破碎并释放出大量的甲烷和其他烃类气体。相比之下，旨在保护电缆免受外界影响的外部护套则呈现出更复杂的、多阶段的降解过程。研究人员发现，护套内部矿物填料的数量起到了调节这种分解的作用。在没有任何矿物添加的标准塑料护套中，材料会在较低的温度下迅速分解，释放出大量的重量，并伴随有毒的氯化氢气体和易燃碎片。
随着研究人员增加矿物填料的数量，护套的行为发生了显著变化。在含有适量矿物的阻焰护套中，分解过程减慢了，危险气体的释放也减少了。矿物起到了稀释剂的作用，分散了可燃塑料，使热量难以在材料中传播。在含有最高浓度矿物的耐火护套中，这种效果更为显著。矿物不仅减缓了过程，还从根本上改变了分解的化学性质。在高温下，这些矿物融合在一起，形成了一层坚硬的类陶瓷屏障，将气体封存在内部。这种屏障非常有效，使得甲烷（一种火灾的主要燃料）的释放量与标准塑料相比降低了两个数量级以上。
研究人员还发现，打破这些材料中的化学键所需的能量会随着填料含量的不同而发生偏移。对于标准塑料，破坏化学键需要很高的能量，但随着矿物含量的增加，开始分解的表观能量实际上降低了。这种看似矛盾的结果发生是因为矿物破坏了塑料的连续结构，迫使塑料不是作为一个整体片层，而是分解成较小的局部区域。然而，在耐火护套分解的最后阶段，能量需求又回升了。这是因为矿物必须经历一个困难的物理转变，即通过烧结形成那层保护性的陶瓷壳，而这一过程会消耗大量的热量。
通过结合热量、质量损失和气体释放的观测结果，该团队建立了一种全新的、两级式的电缆火灾检测系统。第一级预警阶段，或称第一级（Tier I），发生在 270 至 310 摄氏度之间。此时，外部护套开始降解，释放出氯化氢和一氧化碳。这是防护外壳失效的信号。第二级，也是更关键的阶段，即第二级（Tier II），发生在约 450 摄氏度时，此时内部绝缘层开始坍塌。这一阶段的特征是甲烷、乙烯和乙炔的突然释放。这种两阶段的方法使监测系统能够区分轻微的过热事件（可以通过管理来控制）与需要立即采取紧急响应的灾难性故障。这项研究证实，通过理解不同电缆材料的具体化学特征，工程师可以为为城市提供动力的地下隧道构建更智能、更灵敏的安全系统。
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