膨胀型钢结构防火涂料膨胀动力学演化规律与阻燃模拟研究

国内外对膨胀型钢结构防火涂料的研究一直非常关注。目前在材料制备、结构表征、阻燃性能评价等方面已有长足进展，但对其阻燃机理研究相对滞后。本项目紧紧围绕膨胀型钢结构防火涂料的膨胀机理和阻燃模拟两个核心问题开展工作。在传统材料学研究的基础上结合燃烧学研究的方法，研究膨胀型钢结构防火涂料膨胀燃烧过程的特点和膨胀动力学演化规律。通过实验分析膨胀化学过程、物理传热过程及其交互作用，研究基质化学结构、膨胀添加剂的成分、分解条件、填料的成分及聚合物熔融滴落特性等物理化学因素对膨胀成炭动力学演变过程的影响，揭示膨胀阻燃机理。在膨胀型钢结构防火涂料燃烧过程中热传递和膨胀阻燃机理研究的基础上，构建考虑能量、质量和动量以及化学反应动力学并能更精确描述膨胀型钢结构防火涂料燃烧过程和反映膨胀炭层隔热作用的模拟模型，并对模拟结果进行验证。研究结果可以指导人们防范钢结构火灾，并为膨胀型钢结构防火涂料的设计提供科学依据。

膨胀型钢结构防火涂料在材料制备、结构表征、防火性能评价等方面受到普遍关注，但对其膨胀阻燃机理和阻燃模拟研究相对滞后。本项目通过大量的实验，分别选取水性和环氧膨胀型防火涂料作为研究对象，采用同步热分析仪、锥形量热仪、扫描电镜等实验仪器分析了膨胀型防火涂料的热解、燃烧及膨胀阻燃特性，获取了一批有参考价值的实验数据，掌握了材料膨胀动力学演化过程规律和特点。在此基础上采用锥形量热仪和温度测量仪等实验仪器，对添加各种组分的膨胀型防火涂料进行了燃烧和传热测试实验，获取了材料温度场分布规律，研究了膨胀型防火涂料燃烧过程的传热特性。通过膨胀型防火涂料的热物性分析与测试，获取了材料的热物性参数如热导率、热扩散系数、比热容等随温度变化规律。通过对膨胀型防火材料燃烧过程的研究和分析，建立了材料传热、裂解和燃烧数学模拟模型，并进行了数值模拟。研究重要结果包括：①在膨胀型防火涂料热解动力学、燃烧特性分析的基础上，提出了两种膨胀炭层物理结构模型即均孔密闭炭层物理结构和非均孔开裂炭层物理结构，为解释膨胀阻燃机理提供了理论依据；②数值模拟分析了材料热导率、密度、比热容、表面发射率、膨胀分解温度、分解热、燃烧热等热物性参数的改变对材料传热过程、裂解过程及燃烧过程的影响规律，为新型膨胀型钢结构防火涂料的设计提供科学依据。