基于可控等值比法的阻燃聚合物纳米复合材料火灾烟气毒性的研究

Flame retardant polymeric nanocomposites (FRPNs) have shown great advantage in improving flame retardancy; however, few investigations have been conducted on their fire effluent toxicity. In this project, several typical FRPNs will be developed by combination of flame retardant technique and nano-compounding technique. The influence of temperature and ventilation conditions on the generation of fire toxic products will be replicated through controlled equivalence ratio method by modeling the steady combustion of materials during a wide range of fire conditions from oxidative pyrolysis and well-ventilated flaming to under-ventilated flaming. The individual chemical species in fire effluents will be determined by chemical analytical methods and the fire effluent toxicity will be estimated by fractional effective dose (FED) method. The effect of the incorporation of various nano-additives on the particle size distribution and morphology of soot particulates will be discussed. Meanwhile, the influence of nano-additives on thermal decomposition and combustion process, and carbonization and flame retardant mechanism of FRPNs will be also investigated. Based on both potential fire hazard and fire toxicity assessments of FRPNs, it will provide the fundamental understanding of the relationships between the performance of FRPNs, combustion conditions and toxic potencies for FRPNs. This project will be beneficial to reducing fire effluent toxicity of polymeric materials, proposing a method to estimate the fire effluent toxicity of FRPNs, and developing fire database and novel flame retardant materials and techniques.

阻燃聚合物纳米复合材料在降低材料潜在热危害性方面具有巨大的优势，但国内外对该类材料的火灾烟气毒性尚未进行深入研究。针对该问题，本项目拟通过纳米复合技术和阻燃技术制备几种典型阻燃聚合物纳米复合材料；通过可控等值比实验方法模拟材料在火灾发展不同阶段（热解无火焰、通风良好、通风不良）的稳态燃烧行为，探讨温度、氧气消耗等因素对材料火灾烟气毒性的影响；采用成分分析法定量分析火灾毒性烟气的成分与比例，运用有效剂量分数（FED）模型评价材料的火灾烟气毒性；分析烟颗粒的形貌、粒度及其分布等参数的变化趋势，探讨纳米填料对火灾烟雾颗粒生成与变化的影响；探讨材料的热解与燃烧历程以及成炭与阻燃机理；综合评价材料的火灾危险性，揭示纳米填料与复合材料的特性、火灾场景等因素对材料火灾烟气毒性的影响。本项目有助于建立阻燃聚合物纳米复合材料火灾烟气毒性评价体系，为发展和完善火灾数据库，开发新型阻燃技术与材料提供科学依据。

聚合物材料的热危害性和非热危害性是评价其火灾危险性必须的数据。本研究工作合成了新型表面功能化层状化合物，并构建由零维纳米颗粒、一维碳纳米管和磷酸锆、层状双氢氧化物等二维层状化合物复合而成的三维纳米粉体，通过优化其与阻燃剂的多组分阻燃体系，采用熔融共混、浸渍法等制备了聚丙烯、聚苯乙烯等阻燃聚合物纳米复合材料（FRPNs）。通过热重分析仪、锥形量热仪等研究阻燃剂体系对聚合物热解和燃烧历程的影响，评价FRPNs的热危害性并阐明了材料的阻燃机理。FRPNs的非热危害性（烟气释放及其毒性）不仅与材料的组成、结构和性能，以及热解、燃烧和炭化历程有关，而且与火灾发展各个阶段的化学反应环境是密切相关的。为评价材料的烟气毒性特别是CO和烟密度的释放特性，本项目不断完善稳态管式炉试验平台（SSTF），基于可控等值比法，通过控制温度和燃料/氧气比，模拟了聚乙烯醋酸乙烯酯/层状双氢氧化物-碳纳米管、聚丙烯/膨胀阻燃剂/碳纳米管等几种FRPNs在热解无火焰、通风良好、通风不良等火灾发展特定阶段下的稳态燃烧。探讨温度和氧气消耗等因素对火灾烟气释放行为的影响，分析火灾毒性烟气的成分与比例以及烟颗粒的形貌、粒度及其分布等的变化趋势，揭示了FRPNs的毒性烟气释放特性。基于FRPNs的非热危害性和热危害性的综合评价，阐明了材料的特性、火灾场景与火灾烟气毒性之间的内在联系。本项目已发表SCI收录论文12篇；接受待发表SCI收录论文3篇；会议论文2篇；申请发明专利8项，其中授权发明专利1项；获得2015年度安徽省科学技术奖三等奖1项；培养博士研究生2名，硕士研究生2名。本项目的研究成果为发展和完善火灾数据库，开发新型阻燃技术以及具有较高火灾安全性的材料提供了重要的科学依据。本项目研究经费80万元，实际支出69.7523万元，结余10.2477万元，结余经费将用于后续研究所需的开支。