多孔环境下阴燃向明火突变的机理和制约因素的多尺度研究

阴燃向明火突变是阴燃成灾的关键环节，已给国家生命和财产安全带来持续的重大威胁。本项目从防灾角度出发，根据阴燃成灾燃烧链理论，通过微观、细观和宏观等不同尺度上的模拟和表征试验，针对这一突变过程，深入研究多孔环境的自身特性（结构特性等）和物理化学特性演变（结构形态、表面组成和燃烧产物等）以及典型因素（密度、形态、连续性和阻燃性及含氧量）的影响，探讨这些因素和过程与阴燃向明火突变趋势性的关系，拟从本质上揭示这种突变产生的临界条件、机理（多孔环境、可燃介质、热量、可燃挥发物和氧气的综合作用）和主要制约因素（特别是新型阻燃剂的作用），建立一定的参数模型，为今后发展有效的防控技术提供科学依据。本项目顺应和推动学科领域前沿的发展，促进安全科学、燃烧学、材料学及其相关学科的交叉融合，从应用上满足了对阴燃诱发火灾预防和扑救的迫切要求，具有重要的科学价值、现实意义和应用前景。

针对阴燃向明火转化这一突变过程，通过自制的中尺度阴燃综合实验台，利用全自动微孔物理吸附和化学吸附分析仪（N2吸附）、热失重分析仪、差热扫描量热分析仪、表面扫面电镜、表面元素分析仪、全尺寸多功能释热速率实验装置、热电偶、红外线热成像仪等多种参数测量装置，对聚氨酯泡沫和可发聚苯乙烯泡沫两种典型阴燃材料进行了以下理化特性方面的研究：（1）PU泡沫和EPS泡沫的微观结构表征和分析—测定了PU泡沫和EPS泡沫颗粒的表面积、孔容和孔洞尺寸等结构参数；计算了两种材料的孔隙率、孔隙平均弦长为、平均孔径、表观密度和堆积颗粒密度。（2）PU泡沫阴燃燃烧前后表面元素分析（XPS）—对比了阴燃前后不同燃烧程度PU泡沫残余物的表面元素种类和含量，初步判定由不完全燃烧向完全燃烧过程中可燃物发生的化学演变，进而推断反应过程。（3）PU泡沫阴燃前后原品和残品热解性能分析—考察不同燃烧程度PU原品和泡沫残余物在空气和氮气氛中热解特性可帮助判断在明火发生之前的热-质演变过程。（4）PU泡沫发生阴燃燃烧前后微观形貌表征—对发生阴燃且向明火转化但焦化程度不同的PU泡沫进行SEM表征，发现原始PU泡沫的网络穿插立体结构在受热后熔融烧结，开口孔洞开始闭合，结构逐渐坍塌；完全燃烧之后，残余炭体非常疏松，细削骨架叠落错乱，孔径硕大畅通，氧气完全自由输运，提供了阴燃向明火转化所需的充足助燃剂和燃烧后产生的能量。（5）EPS夹芯板材对火反应特性及火蔓延特性—对不同处理方法（安装、封装、加装防火隔断等形式）的EPS夹芯板进行模拟火源加热，对热释放速率等对火反应特性和温度分布等数据进行测定，考察EPS材料的阴燃特性，推算了EPS夹芯熔融和燃烧的蔓延速率，分析了不同防火隔断方式的阻断效果。（6）氧氮混合气氛和不同加热速率下PU泡沫和EPS泡沫颗粒热解性能及热解前后微观形貌表征—对不同升温速率下程序升温到不同温度以及不同氧气和氮气混合气氛下的聚氨酯泡沫材料的热解性能及热解炭化后的微观形貌进行实验表征研究，拟揭示阴燃前期的演变特征（热量、质量和形态的变化）。（7）基于溶胶-凝胶反应制备了多种金属氧化物溶胶—利用正硅酸四乙酯（TEOS）和钛酸四丁酯在酸性催化剂作用下在醇水体系中的水解制备 SiO2、TiO2和相关的系列溶胶；利用氯化亚锡水合物在醇中的水解制备SnO2溶胶；利用金属盐-柠檬酸体系制备出系列金属氧化物溶胶。