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研究配景
环氧树脂因其优异的机械和化学性能而被普遍使用于油漆和涂料，修建和交通运输（航空，铁路和船舶）以及电子等领域。玻璃纤维增强环氧树脂 (GRE) 复合质料通常用于机舱内部，以降低火灾危害和危害，提高阻燃性。2020 年Fadime Karaer ?zmen 等人在《Journal of Cleaner Production》上揭晓一篇名为"Cleaner production of flame-retardant-glass reinforced epoxy resin composite for aviation and reducing smoke toxicity" 的文章，研究接纳低本钱环保阻燃剂（红磷）和抑烟剂（硼酸锌和三水铝）取代高本钱、有害的卤素阻燃剂，制备了阻燃玻璃纤维增强环氧复合质料。接纳实验室火灾危害测试要领研究了阻燃玻璃纤维增强环氧复合质料可能保存的火灾危害和危害。使用锥形量热仪、烟雾密度箱和 OSU 热释放速率测试仪举行了火灾危险剖析研究。
样品测试
实验历程中使用的试样如表 1 所示。
表 1 所制备的环氧树脂系统的组成与添加剂和比例
锥形量热仪测试：
使用 FTT 开发的锥形量热仪凭证 ISO 5660-1 标准，对试样施加50 kW/m2的热辐射功率举行测试。
试样尺寸：100 mm×100 mm×0.6 mm
OSU 热释放速率测试：
凭证联邦航空条例 FAR CS 25.853 附录 F 第 IV 部分的标准，使用 FTT 的 OSU 热释放速率测试仪对试样举行测试。
测试时代前 2 分钟内的最大热释放 (峰值 HRR) 值和总热释放 (THR) 值是通过在 99% 纯度甲烷气体的引火火焰下燃烧样品 5 分钟，并使用热辐射功率为 35 kW/m2 的辐射热源来确定的。
样品尺寸: 150 mm×150 mm×0.6 mm
烟密度测试：
每个样品的烟雾密度测试均在 FTT 的 NBS 烟密度箱的 25 kW/m2 下举行。
试样尺寸：76 mm×76 mm
毒性剖析：
使用 Drager 比色管、FTIR 和 GC-MS 装备剖析烟雾测试样品在烟雾密度室 (SDC) 中燃烧时释放的气体产品。将气体采样箱 (ABD031 Smoke BOX) 添加到 SDC。使用 180 ℃ 的加热管划分在 FTIR 和 GC-MS 装备上剖析准确采样的燃烧产品。凭证空客 ABD 0031 (AITM 2.0007) 标准 (空客, 2003)，使用气体采样箱 (ABD031 Smoke BOX) 对 SDC 中的烟密度测试样品释放的燃烧产品举行剖析和毒性测试。
实验效果与讨论
锥形量热仪测试效果
FR-GRE 复合质料与 GRE 复合质料的锥形量热仪测试效果总结如下所示。图 1 至图 8 划分显示了 FR-GRE-RP、FR-GRE-ATH、FR-GRE-ZnB 和 FR-GRE-RP-ZnB-ATH 的热释放速率 (HRR，kW/m2 )、总热释放速率 (THR，MJ/m2 )、产烟速率 (SPR，m2 /s) 和总产烟量 (TSP，m2 )。锥形量热仪的其他效果总结在表 2 中。
锥形量热仪的热释放速率效果批注，所有 GRE 复合质料都体现出热薄样品的特点，在 HRR 中具有尖锐的峰值。别的，整个 GRE 复合质料在 13 到 120 s 之间的相同时间距离内爆发热解。如图 1 至 8所示，GRE 复合质料的峰值 HRR 值抵达了近 600 kW/m2，但 FRGRE 复合质料在锥形量热仪测试时代热释放峰值 HRR 较低。
图 1 差别比例下FR-GRE-RP锥形量热仪效果
A:热释放速率(kW/m2)
B:总热释放速率(MJ/m2)
图 2 差别比例下FR-GRE-RP的锥形量热仪效果
A:产烟速率(m2/s)
B:总产烟量(m2)
图 1 显示了红磷对阻燃纤维增强环氧复合质料的峰值 HRR 和 THR 的影响（包括四种差别的 Exolit RP6500 负载率）。与锥形量热仪测试中的 GRE 复合质料举行较量。FR-GRE-RP 的峰值 HRR 和 THR 效果显示，8% 负载的 Exolit RP6500（FR-GRE-RP4）将峰值 HRR 从 586.52 kW/m2降低至 306.93 kW/m2 ，并将总热释放速率从 8.89 MJ/m2降低至 4.14 MJ/m2。FR-GRE-RP4 对峰值 HRR 和 THR 的影响靠近50％。
图 2 给出了 Exolit RP6500 负载率为 20%、16%、12% 和 8% 时 FRGRE-RP 复合质料的产烟速率和总产烟量。研究发明，随着 RP 的使用，FR-GRE 复合质料的 SPR 和 TSP 值上升。如表 2 所示，GRE 复合质料的 SPR 值从 0.010 m2/kg 增添到 0.016 m2/kg，这些值批注，当 Exolit RP6500 负载率为 8% 时，产烟量上升了 60%。RP 的阻燃机理为凝聚相中的阻隔和炭残留物的爆发以及气相中 PO 活性自由基的形成，因此使用 RP 可能会增添产烟量。
图 3 差别比例下 FR-GRE-ATH 锥形量热仪效果
A:热释放速率(kW/m2)
B:总热释放速率(MJ/m2)
图 4 差别比例下 FR-GRE-ATH 锥形量热仪效果
A:产烟速率(m2/s)
B:总产烟量(m2)
图 3 显示了 ATH 对具有四种差别 ATH 填充率的阻燃纤维增强环氧复合质料的峰值 HRR 和 THR 的影响。FR-GRE-ATH 的峰值 HRR 和 THR 效果批注，填充率为 12% 的 ATH（FR-GRE-ATH2）将峰值 HRR 从 586.52 降低到 493.63 kW/m2，并将总热释放速率从 8.89 MJ/m2 降低到 8.48 MJ/m2。
图 4 给出了 ATH 填充率为 16%、12%、8% 和 4% 时 FRGRE-ATH 复合质料的产烟速率和总产烟量。效果批注，随着 ATH 的使用，FR-GRE 复合质料的 SPR 和 TSP 值降低。如表 2 所示，GRE 复合质料的 SPR 值从 0.0085 m2/kg 降低至 0.009 m2/kg，这些值批注，当 ATH 填充率为 12% 时，产烟率降低了 5.5%Ｋ剂康讲搪屎妥懿塘，纵然在纤维增强环氧基质中使用差别的 ATH 浓度，FR-GRE-ATH 样品也具有与 GRE 样品相似的排烟特征。
图 5 差别比例下 FR-GRE-ZnB 锥形量热仪效果
A:放热率(kW/m2)
B:总放热率(MJ/m2)
图 6 差别比例下 FR-GRE-ZnB 锥形量热仪效果
A:产烟速率(m2/s)
B:总产烟量(m2)
图 5 显示了 ZnB 对阻燃纤维增强环氧复合质料（包括四种差别的 ZnB 负载率）的峰值 HRR 和 THR 的影响。FR-GRE-ZnB 的峰值 HRR 和 THR 效果批注，负载率为 16% 的 ZnB（FR-GRE-ATH1）将峰值 HRR 从 586.52 kW/m2降低到 489.38 kW/m2，并将总热释放率从 8.89 MJ/m2 降低到 7,54 MJ/m2。
图 6 给出了 ZnB 填充率为16%、12%、8%和 4% 的 FR-GRE-ZnB 复合质料的产烟速率和总产烟量。效果批注，FR-GRE 复合质料的 SPR 和 TSP 值随 ZnB 的使用而降低。与 FR-GRE-ATH 复合质料一样，纵然纤维增强环氧树脂基体中使用差别的 ZnB 浓度，FR-GRE-ZnB 样品也具有与 GRE 样品相似的排烟特征。
图 7 差别比例下FR-GRE-PR-ZnB-ATH锥形量热仪效果
A:热释放速率(kW/m2)
B:总热释放速率(MJ/m2)
图 8 差别比例下FR-GRE-PR-ZnB-ATH锥形量热仪效果
A:产烟速率(m2/s)
B:总产烟量(m2)
图 7 显示了包括 ZnB 和 ATH 的 FR-GRE-RP 复合质料对峰值 HRR 和 THR 的影响。FR-GRE-RP-ZnB 的峰值 HRR 和 THR 效果批注，当 RP：ZnB 比例即是 20:12 时，与单独使用 RP 且负载率为 12% 相比，峰值 HRR 从 431.54 降低至 313.67 kW/m2，总热释放速率从 5.92 MJ/m2 降低至 5.5 MJ/m2。RP、ZnB 和 ATH 的三重协同效应导致峰值 HRR 从 372.98 降低至 223.13 kW/m2，THR 从 6.40 降低至 5.30 MJ/m2。这样，通过 RP、ZnB 和 ATH 的协同作用，GRE 复合质料的峰值 HRR 和 THR 划分降低了 61.98% 和 40.00%。
图 8 显示了 FRGRE-RP-ZnB-ATH 复合质料的产烟速率和总产烟量。研究发明，ZnB 和 RP 协同作用对 FR-GRE 复合质料的 SPR 和 TSP 值的影响比 RP-ZnB-ATH 三重效应更有用。
表 2 锥形量热仪测试效果总结
OSU 热释放速率测试仪测试效果
图 9 RP对FR-GRE 复合质料HRR的影响
图 10 ATH 对 FR-GRE 复合质料 HRR 的影响
图11 ZnB对FR-GRE复合
质料HRR的影响
图12 RP-ATH-ZnB对FR-GRE复合质料HRR的协同作用
图 9 显示了差别附载量的 FR-GRE-RP 复合质料的 HRR 值。确定了 ATH 和 ZnB 对 GRE 复合质料的影响，并划分在图 10 和图 11 中显示了 300s 测试时代的热释放速率。在 FR-GRE 复合质料的 HRR 曲线中，火焰的火焰增添履历了几个阶段：流动燃烧（0~15s）、爆发短暂火焰（15~30s）、完全增强火焰（30~40s）、消耗燃料和可燃质料（40~90s）和热量退化（90~300s）。在 OSU-HRR 测试中视察到了尖锐的 HRR 曲线。OSU-HRR 试验效果批注，RP 降低了 GRE 的 HRR 值，当使用 8% 的添加量 RP 作为阻燃剂时，GRE 复合质料的 HHR 值降低了 45%。
图 10 和图 11 中显示了ATH 数据批注 ATH 和 ZnB 对 OSU-HRR 效果没有显著影响。如图 12 所示，使用 RP、ATH 和 ZnB 三重联用可改善 GRE 复合质料的隔热，使 HRR 值降低凌驾 55%。
当将 OSU-HRR 效果与 FRGRE 和 GRE 复合质料的锥形量热仪测试数据举行较量时，纵然所有复合质料在两次测试中体现出相同的热降解行为，OSU-HRR 35 kW/m2 下测试获得的复合质料的 HRR 值与 50 kW/m2 下锥形量热仪测试获得的复合质料的 HRR 值也差别。缘故原由是热辐射、要领和使用燃烧源差别。
锥形量热仪测试具有水平偏向的锥形加热圈热源，样品尺寸为100 mmx10 mm，并使用火花燃烧器燃烧举行测试，而 OSU-HRR 测试包括三个笔直碳化硅辐射热源，形状为圆柱棒，样品尺寸为 150 mmx150 mm，两个引火火焰燃烧（上和下引燃火焰）。
烟密度测试效果
表 3 NBS烟密度箱测试效果总结
图 13 差别RP负载量对烟密度的影响
图 14 差别ATH负载量对烟密度的影响
图 15 差别ZnB负载量对烟密度的影响
图16 差别RP、ATH、ZnB负载量对烟密度的影响
当使用 2.5 W/cm2 热源时，表 3 总结了 4 分钟试验后的纤维增强环氧复合质料的详细 SDC 试验效果。图 13、图 14 和图 15 划分显示了 RP、ATH 和 ZnB 在差别负载率下对烟雾爆发的影响。图 16 给出了 RP、ATH 和 ZnB 的协同使用情形。FR-GRE 复合质料在燃烧条件下举行测试。关于 GRE 复合质料，在非燃烧条件下举行测试时测得的烟密度低于在燃烧条件下获得的烟雾密度，由于从 GRE 复合质料中释放的 VOC 不会在没有引火火焰的情形下点燃，并且 GRE 复合质料没有完全燃烧。
视察到在环氧复合质料中，通过在复合树脂系统中添加 Exolit RP 6500 阻燃添加剂，烟密度 (Ds) 值会升高。然而，ATH 和 ZnB 添加剂会抑制烟密度。通过添加 ATH 和 ZnB 以及其他添加剂，确定环氧复合质料的烟密度值降低了 50%。FR-GRE 和 GRE 复合质料的烟密度值在 30 秒内急剧上升，因此这一次是指引火火焰点燃了复合质料释放的 VOC，这是烟雾排放曲线的一部分。在 30~90s 的时间距离内，复合质料中释放的可燃产品逐渐消耗，以后 Ds 值趋于稳固。ATH 在低于20%的添加量下对 Ds 值有较好的抑制作用。ZnB 能显著降低 Ds 值和 GRE 复合质料的质量损失，证实 ZnB 对环氧复合质料具有较强的抑烟效果。通过对 Ds、VOF4 和质量损失数据举行剖析，可以确定 RP-ZnB 和 RP-ATH-ZnB 的使用均能降低 RP 在 GRE 复合质料上的烟雾排放。
有毒气体剖析效果
表 4 ABD 031.F 标准中划定的气体的效果
聚合物复合质料除了烟雾之外还会爆发有毒和刺激性气体。使用种种气体丈量要领剖析了 FR-GRE 和 GRE 复合质料在烟密度箱中燃烧时爆发的有毒和刺激性气体。使用 FTIR 确定了 CO、SO2 和 NO 的浓度，使用 dragger 管检查了 HCN、HF 和 HCl 的浓度。除了 ABD 031.F 毒性测试中划定的这六种气体外，还通过 GC-MS 定性确定了燃烧历程中可能释放的脂肪族和芳香族因素。凭证表 4 中给出的 FTIR 剖析效果，确定了 NO 和 SO2 气体的浓度随着 Exolit RP6500 的增添而增添。FR-GE 和 GRE 复合质料中测得的 NO 和 SO2 浓度高于 ABD031.F 标准划定的在燃烧条件下这些气体的允许浓度。FTIR 剖析批注，当 CO2 气体浓度增添过多时， CO 峰会受到抑制。因此，在 FTIR 剖析中未测定 CO 浓度，凭证锥形量热仪测试的CO/CO2 气体浓度数据，审查阻燃添加剂对 CO 形成的影响。视察效果时，可以看到，在质料中添加阻燃添加剂可以避免燃烧，CO2 气体的浓度会降低。确定在系统中添加阻燃添加剂后不会形成侵蚀性和刺激性的 HCN、HF 和 HCI 气体。GC-MS 效果进一步证实了理论。
总结
该文章研究了阻燃添加剂对环氧复合质料的阻燃性和生态毒性影响，这些复合质料可以用于航空和耐热性要求高质量的质料领域。该研究提出了一种整体要领，通过爆发热烟和热气同时提高热阻来阻止阻燃添加剂(情形点)的毒性影响。效果批注，FR 系统与 GRE 复合质料的团结提高了火灾历程中有毒和刺激性燃烧产品的燃烧效率。
接下来的事情偏向：
?该研究提出的整体清洁生产要领可用于多种聚合物复合质料的测试。
?可添加环保型含磷阻燃添加剂（如APP、DOPO和DOPI）以作用环氧复合质料的烟雾和有毒气体排放，以替换红磷。
?可对这些环保型含磷阻燃添加剂进一步研究，以确定它们与其他矿物烟雾抑制剂（如 ATH 和 ZnB）的协同作用。
?为了提高玻璃增强环氧复合质料的耐热性，应通过改变复合质料主树脂基质、硬化剂和增进剂来检查阻燃添加剂的有用性。
该篇文章在研究历程中使用了 FTT 的锥形量热仪，OSU 热释放速率测试仪以及 NBS 烟密度箱和 FTIR 高级傅里叶红外光谱毒性剖析仪。FTT 作为阻燃装备行业的开拓者和向导者，提供了诸多切合国际和海内标准的阻燃装备，为全球规模内的防火测试和科学研究作出了主要孝顺。以下是为文章中提及的装备，点击装备图片相识装备详情。
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