膨胀型防火涂料火灾毒害气体化学动力学生成机制

Preparation, structural characterization, performance evaluation of intumescent fire retardant coatings have made great strides in the world, but the reports about dynamic formation process of fire toxic gases during the fire are almost blank. This project is about the chemical kinetics formation of fire toxic gases and affecting factors when the intumescent fire retardant coatings are in fire. The concentration, chemical composition, and generation process of toxic gases in the combustion process from the intumescent fire retardant coatings, and the affection of the different fire modes and conditions on the chemical kinetics formation process of the combustion toxic gases will be studied using not only the study method of traditional materials, but also chemical analysis and combustion science research methods. The multi-scale evolution of the condensed phase in the combustion process will be studied. The study will be focused on the chemical reactions among the matrix resin, components of intumescent fire retardant additives, and components of fillers; and the carbon layer expansion process affecting on the kinetics formation process of fire toxic gases. The intrinsic relationships will be established among the composition and structure of intumescent fire retardant coatings, the evolution and expansion dynamics of condensed phase structure in the combustion process, the combustion mode and conditions, and the composition and generation process of fire toxic gases. Then, the chemical kinetics formation mechanism of fire toxic gases will be revealed based on the above analysis. The study results have with both scientific significance and potential applications, which can enrich the theory of fire science, and provide a scientific basis for the design of the intumescent fire retardant coatings.

国内外对膨胀型防火涂料的制备、结构表征、防火性能评价等方面已取得长足进展，但对其火灾毒害气体生成特性研究鲜有报道。本项目围绕膨胀型防火涂料火灾毒害气体生成问题及影响因素开展工作。结合传统材料学、化学分析、燃烧学研究方法，研究膨胀型防火涂料在燃烧过程中火灾毒害气体的排放浓度、化学组成和生成过程，研究不同燃烧模式和条件对火灾毒害气体生成过程的影响规律。研究燃烧过程中材料凝聚相化学结构多尺度演变规律及膨胀动力学，重点研究成膜聚合物、膨胀阻燃体系成分和颜填料成分之间化学反应及炭层膨胀过程等物理化学因素对火灾毒害气体生成过程的影响。建立膨胀型防火涂料在燃烧过程中的凝聚相结构演变规律及膨胀动力学-燃烧模式与条件-火灾毒害气体组成及生成过程之间的本质联系，揭示火灾毒害气体化学动力学生成机制。研究成果可以丰富火灾科学理论体系，并为膨胀型防火涂料的设计提供科学依据，既具有科学意义又具有潜在的应用价值。

本项目结合传统材料学、化学分析、燃烧学研究方法，研究环氧树脂基膨胀型防火涂料在燃烧过程中的凝聚相结构多尺度演变规律，火灾烟气的排放浓度；研究环氧树脂基膨胀型防火涂料热解气体产物生成的动力学过程。建立环氧树脂基膨胀型防火涂料组成结构-燃烧过程中凝聚相结构-热解气体产物组成及生成过程之间的本质联系，提出了环氧树脂基膨胀型防火涂料的热降解和生烟机理。主要工作表现在以下几个方面：. ⑴系统的研究了典型铁系氧化物对膨胀型防火涂料的协效燃烧性能的影响规律，揭示了其抑烟减毒作用机理。铁系氧化物通过催化聚磷酸铵的分解，降低了复合材料的热解起始温度，提高了聚磷酸铵热解阶段的质量损失速率，提高了材料交联成炭的能力，阻止了材料的进一步热解。增强了膨胀型防火涂料膨胀炭层的致密性。. ⑵研究了铁蒙脱土，磷酸铁和二茂铁对膨胀型防火涂料燃烧性能的影响规律，并深入探讨了它们的抑烟减毒机理。热重分析结果显示，三者均可以通过催化聚磷酸铵的分解，降低了材料的热解起始温度，提高了聚磷酸铵热解阶段的质量损失速率，提高了体系交联成炭的能力，阻止了材料进一步热解，并显著提高了样品剩余质量。扫描电镜结果表明，加入铁蒙脱土，磷酸铁及二茂铁使样品燃烧生成的膨胀保护炭层的致密性进一步提高，而致密紧实的保护炭层可以有效的隔热，抑烟以及减少质量传递。. ⑶研究了典型固化剂、增韧剂等膨胀型防火涂料燃烧性能的影响规律。研究发现：随着固化剂T31含量的降低，环氧树脂复合材料高温热稳定性升高，生烟速率（SPR）降低；磷酸酯固化剂能显著降低材料的生烟速率（SPR）参数，是通过磷酸酯在低温生成聚磷酸催化环氧树脂成炭并改善炭层结构实现抑烟的；增韧剂CYH-277可以降低膨胀型防火涂料的SPR，并且延迟的点燃时间，具有一定的阻燃性能，但对膨胀型防火涂料的抑烟是不利的。. ⑷合成了一种基于膨胀石墨的新型有机无机杂化阻燃抑烟剂（EGM），并深入探讨了其对膨胀型防火涂料的抑烟作用机理。具有良好分散性的EGM能够增加膨胀型防火涂料的活化能，显著改善炭层结构，增加炭层的膨胀度，提高炭层的致密性，是通过具有很好的传热传质屏蔽能力的炭层实现抑烟减毒的。. 本项目已发表学术研究论文20篇，其中SCI论文19篇和1篇核心期刊论文，参加国际会议2次和国内会议3次，申请中国专利6件，培养硕士研究生8名。.