浙大宁波理工学院：阻燃改性聚合物热氧化降解与燃烧过程测试虚拟仿真实验-服务案例-高校虚拟教学仿真软件

公司与浙大宁波理工学院合作，开发“阻燃改性聚合物热氧化降解与燃烧过程测试虚拟仿真实验”课程。

实验目的

本实验内容涵盖物料特性、配方设计、工艺设计、及阻燃改性聚合物的热分析方法和燃烧性能表征方法，在现实和虚拟实验中强化基本实验技能的训练，突出综合实践和创新能力的培养；坚持科研与教学相结合，理论与实验相结合，专业与基础相结合，将科研成果和学科最新发展不断转化为实验教学资源，促进大学生工程实践能力和创新型人才培养。

具体应使学生达到如下要求：

1、了解聚合物的燃烧机理；

2、掌握阻燃改性聚合物热氧化降解与燃烧过程测试方法；

3、培养查阅文献、发现问题、设计实验、解决问题、论文写作等科研素养和创新能力。

实验原理

聚合物的燃烧机理：聚合物的燃烧是一个非常激烈复杂的热氧化分解反应，具有冒发浓烟或炽烈火焰的特征。燃烧反应的基本机理，可理解为燃烧情况下聚合物的分解机理，出现聚合物的解聚、聚合物的主键断裂和侧链断裂等过程。在外界热源的不断加热下，聚合物先与空气中的氧发生自由基链式降解反应，产生挥发性可燃物，该物达到一定浓度和温度时就会着火燃烧起来，燃烧所放出的一部分热量供给正在降解的聚合物，进一步加剧其降解，产生更多的可燃性气体。而不断产生的高聚物碎片在高温和氧充足的情况下，被氧化的速度极快，产生大量的热足以在气相中燃烧，使得火焰在很短的时间内就会迅速蔓延而造成一场大火。

热塑性塑料的挤出成型是主要的成型方法之一，塑料的挤出成型就是塑料在挤出机中，在一定的温度和一定压力下熔融塑化，并连续通过有固定截面的模型，得到具有特定断面形状连续型材的加工方法。不论挤出造粒还是挤出制品，都分两个阶段，第一阶段，固体状树脂原料在机筒中，借助于料筒外部的加热和螺杆转动的剪切挤压作用而熔融，同时熔体在压力的推动下被连续挤出口模；第二阶段是被挤出的型材失去塑性变为固体即制品，可为条状、片状、棒状、筒状等。因此，应用挤出的方法既可以造粒也能够生产型材或异型材。

热塑性塑料具有受热软化和在外力作用下流动的特点，当冷却后又能转变为固态，而塑料的原有性能不发生本质变化，注塑成型正是利用塑料的这一特性，尤其是热塑性塑料。注塑成型是热塑性塑料成型制品的一种重要方法，塑料在注塑机料筒中经外部加热及螺杆对物料和物料之间的摩擦升热使塑料熔化呈流动状后，在螺杆的高压、高速作用推动下，塑料熔体通过射嘴注入温度较低的封闭模具型腔中，经冷却定型成为所需制品。采用注塑成型，可以成型各种不同塑料，得到质量、尺寸、形状大小不同的各种各样的塑料制品。

对于主要是热固性树脂的高性能基体树脂来说，树脂应用性能的好坏，与其固化工艺有极其密切的关系。其加工方式为将配制好的胶液放置于特定的的金属模具中，按照确定好的最佳固化工艺在平板硫化机上进行固化成型。固化好的树脂样条进行力学性能、氧指数、垂直燃烧等性能的测试。

（1）冲击性能测试

采用冲击试验机测试样条的缺口冲击强度，并观察样条断面，确定是否有韧性断裂现象。

（2）拉伸性能弯曲强度测试

采用万能材料试验机测试样条的拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长率。

（3）热失重分析（Thermogravimetric Analysis，TGA）

一定的温度程序（升/降/恒温）控制下，观察样品的质量随温度或时间的变化过程。是以恒定升温速率或等温条件下加热样品，同时连续地测定试样失重的一种动态方法。应用TGA可以研究各种气氛下高聚物的热稳定性和热分解作用，测定水分、挥发物和残渣，增塑剂的挥发性，水解和吸湿性，吸附和解吸，气化速度和汽化热，升华速度和升华热，氯化降解，缩聚高聚物的固化程度，有填料的高聚物或掺合物的组成，还可以研究反应动力学。

（4）差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry，DSC）

差示扫描量热法是在温度程序控制下，测量试样与参比物在单位时间内能量差随温度变化的一种技术。试样在受热或冷却过程中，由于发生物理变化或化学变化而产生热效应，在差热曲线上就会出现吸热或放热峰。试样发生力学状态变化时（例如由玻璃态转变为高弹态），虽无吸热或放热现象，但比热有突变，表现在差热曲线上是基线的突然变动。

DSC：一是研究聚合物的相转变过程，测定结晶温度T_c、熔点T_m、结晶度X_c、等温结晶动力学参数；二是测定玻璃化转变温度T_g；三是研究聚合、固化、交联、氧化、分解等反应，测定反应温度或反应温区、反应热、反应动力学参数等。在本项目主要用于阻燃改性聚合物热氧化降解的测定。

（5）垂直燃烧法

为了更准确地表征聚合物的燃烧性能，国际上已经有很多通用方法来进行聚合物燃烧性能的测试，水平垂直燃烧法就是其中之一。水平垂直燃烧法是一种可测定材料在接触引燃源时的燃烧性能，包括熄灭时间，火焰蔓延的范围及时间，以及由于该材料的燃烧行为是否引起其它物质的燃烧方法，可对材料进行对比及耐燃分级。根据该法所测定出的聚合物材料的不同级别水平，是作为评价聚合物燃烧性能的重要指标之一。

国际上以UL94塑料燃烧等级标准来进行聚合物燃烧性能的评价，在我国采用的是GB 5169、GB 4943、GB/T 2408-2008等国家标准来进行评价。在不同测试标准条件下，该方法的适用范围也有所不同。例如在国标GB/T 2408-2008塑料燃烧的测试标准中规定，该标准适用于表观密度不低于250kg/m³的固体以及泡沫材料，不适用于施加火焰后未点燃而产生卷缩的材料。不适用于在燃烧过程中发生熔融滴落和熔结的材料；在国标GB/T 8333-2008中规定，用于实验室条件下评定硬质泡沫塑料的垂直燃烧性能，但不适用于在燃烧过程中发生熔融滴落和熔结的材料。所以，在进行材料的垂直燃烧试验时，要根据材料本身的性质，进行合适国标测试方法，所得数据才具有一定的说服力。

垂直燃烧试验是将试样固定在夹具上，用本生灯产生一定的火焰在规定时间内施加在试样自由端，材料的有焰燃烧时间（在规定的试验条件下，移开点火源后，材料持续有焰燃烧的时间）或无焰燃烧时间（在规格的试验条件下，移开点火源后，当有焰燃烧终止或无火焰产生时材料保持辉光的燃烧的时间）长短来确定聚合物材料的燃烧等级。点燃后聚合物燃烧时间越长，聚合物的级别越高，所对应的级别数字越小，表明该聚合物越不易燃烧。反之则易燃。

本实验采用GB/T 2408-2008进行阻燃材料垂直燃烧性能的测试。通过垂直地夹住试样一端，对试样自由端施加规定的气体火焰，通过测量有焰燃烧及无焰燃烧时间（垂直法）等来评价试样的燃烧性能和耐燃等级。

（6）氧指数(Oxygen Index，简称OI)是表征材料燃烧性能的指标之一。OI是指在规定条件下，试样在氧、氮混合气流中，维持平稳燃烧所需的最低氧气浓度，以氧所占体积百分数表示。OI高表示材料不易燃烧，OI低表示材料容易燃烧。一般认为OI<22属于易燃材料，OI在22~27之间属可燃材料，OI>27属难燃材料。

本实验所用的氧指数法是评价塑料及其他高分子材料相对燃烧性的一种表示方法，以此判断材料在空气中与火焰接触时燃烧的难易程度非常有效。

（7）锥形量热仪（Cone Calorimeter），是国内及国际防火测试领域中最重要的评价手段，可以在各种预设条件下对材料进行阻燃和燃烧性能测试。这些测量结果既可直接用于防火研究，又可以作为相关必要的数据导入数学模型预测火灾发展。锥形量热仪可以直接获得以下数据：热释放速率、着火时间（温度）、临界点燃热量、质量损失速率、烟雾释放速率、有效燃烧热、有毒气体释放速率（如碳氧化物）。其中，热释放速率则是可以用来计算火场面积、火灾蔓延速率以及相关的烟气毒气释放速率，而且已经成为评价材料和制品阻燃和燃烧性能的关键标准。用于本项目阻燃改性聚合物燃烧过程测试。

实验内容

本虚拟仿真实验包括如下4个学习模块：

1、阻燃改性聚合物数据库