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氮化物/壳聚糖/植酸涂层软质聚氨酯泡沫防火性能的实验和数值分析

https://www.nature.com/articles/s41598-021-84083-2

第一作者：未央 合肥大学能源材料与化工学院 于赋 未来材料中心南昆士兰大学昆士兰

吴淑英 麦考瑞大学工程学院，悉尼，新南威尔士州 关恒洋 澳大利亚核科学技术组织 (ANSTO)，

通讯单位：新南威尔士大学机械与制造工程学院，悉尼，新南威尔士州，2052，澳大利亚

通讯作者：与 Anthony Chun Yin Yuen 或 Guan Heng Yeoh 的通信。

研究亮点：

一种新型纳米结构阻燃涂层，可以显著抑制聚氨酯泡沫的易燃性

成果简介：

二维过渡金属基材料的最新发现已成为制造纳米结构阻燃剂的绝佳候选材料。在此，我们报告了一种用于软质聚氨酯泡沫 (PUF) 的环保阻燃剂，它是通过将 氮化物 (Ti3C2) 与包括植酸 (PA)、酪蛋白、果胶和壳聚糖 (CH) 在内的生物质材料混合合成的。发现CH/PA/Ti3C2 的优异阻燃性源于混合氮化物与含有芳环、酚类和磷化合物的生物质材料的屏蔽和炭化作用。

创新1

二维过渡金属 MXene (Ti3C2) 与三种不同的生物质材料（酪蛋白、果胶和 PA）杂交。利用了二维设计的结构有机和无机化合物的协同效应

涂层工艺系统方法 纯 PUF、(c,d) [CH/PA]1 涂层 PUF 和 (e,f) [CH/PA/Ti3C2]1 涂层 PUF 的 SEM 图像，以及 (g) EDS 映射图像 [CH/PA/Ti3C2]1 涂层 PUF。

对于所有这些涂层泡沫，降解速率降低，并且在较高温度下出现两个分解峰，证实了耐热性的提高。这归因于 Ti3C2 纳米片的高导热性，它改善了沿表面的均匀传热并减缓了热量向底层的渗透48。这种机制还推迟了 PUF 复合材料的降解，并产生了完全保护 PUF 免受热和热解的屏障效应

微型锥形量热法和 UL-94 水平燃烧试验也证实了CH/PA/Ti3C2 的阻燃性能最好

创新2

一种高保真 CFD，以准确捕捉潜在的 FR 机制并预测显着的火灾和烟雾减少。

多孔介质炭形成热解模型

内部热解模型以 Arrhenius 表达式的形式考虑热降解率。每种材料成分可能会

经历几个相互竞争的反应，这些反应中的每一个都会根据指定的产率系数产生固体成分（炭）和气体物质。材料的热降解速率 R 是气体挥发物 rg 和炭形成 rc 的所有反应速率的总和，由下式给出：

R=rg+rc,R=rg+rc,

rg=∑i=1l(1−vresidual)ciAiexp(−EiRTs)(Yi)ni,rg=∑i=1l(1−vresidual)ciAiexp(−EiRTs)(Yi)ni,(2)

rc=∑i=1l(vresidual)ciAiexp(−EiRTs)(Yi)ni,rc=∑i=1l(vresidual)ciAiexp(−EiRTs)(Yi)ni,(3)

) TGA 结果与锥形量热法之间的热行为存在差异，尤其是对于具有 LbL 涂层的材料。 (ii) 数值模型没有考虑任何可能会扩展实验中 HRR 曲线的阴燃效应。尽管如此，总体结果表明，结合从 GA 方法中提取的热解反应速率的数值模型能够准确地捕捉带有和不带有 FR 涂层的 PUF 的火灾发展。这种新的计算模型为进一步设计和优化阻燃涂层提供了先进的模拟能力

1. 纯 PUF 和 (b) [CH/PA/Ti3C2]3 PUF 在 35 kW/m2 热通量下的锥形量热仪的实验和数值 HRR。

创新3

证明了卤化阻燃剂的巨大潜力，并且具有降低毒性和提高生物降解性的额外好处。

锥形量热仪测试与模型预测之间的良好一致性证实 CH/PA/Ti3C2 涂层可以通过炭化机制显着降低 PUF 的可燃性。

总结

我们开发并展示了一种新型纳米结构阻燃涂层，可以显着抑制聚氨酯泡沫的易燃性。使用 LbL 方法，二维过渡金属 MXene (Ti3C2) 与三种不同的生物质材料（酪蛋白、果胶和 PA）杂交。包括锥形量热法、热重法、微型燃烧法和 UL-94 水平燃烧试验在内的各种测试结果表明，[CH/PA/Ti3C2]3 涂层能够降低 pHRR、THR、PSPR、TSR、COPR、和 CO2PR 分别下降 51.1%、40.1%、66.7%、84.8%、60.4% 和 69.1%。这些前所未有的改进，优于文献中报道的 PUF 的最高值，源于二维设计的结构有机和无机化合物的协同效应。此外，我们还提出了一种高保真 CFD，以准确捕捉潜在的 FR 机制并预测显着的火灾和烟雾减少。使用系统的数值建模框架，包括通过遗传算法方法提取热解反应速率和基于 LES 的火灾模型的应用，带有内部表面回归热解模块的基于 CFD 的分析模型解释了基本的热分解速率和FR涂层PUF的动力学。计算预测与实验结果在 HRR、TTI 和燃烧持续时间方面取得了良好的一致性。通过结合固体界面跟踪和炭形成模型，该模型可以复制由于结合 CH/PA/Ti3C2 涂层而导致的火灾强度降低。应用于 PUF 的纳米结构 CH/PA/Ti3C2 涂层的卓越性能证明了替代卤化阻燃剂的巨大潜力，并具有降低毒性和提高生物降解性的额外好处。

参考文献

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