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安全工程课程中培养研究生对于新材料认识的重要性

2021-06-26 132 上传者：管理员

摘要：在研究生培养方案中,专业课的选择对于研究生的培养至关重要,起到奠定坚实专业基础知识的作用。当今传统的单一领域学科的课程难以满足新形势下研究生对于专业知识的渴求,尤其是国家已将"新材料"列入科技发展的重点规划中,而阻燃又被制定为"新材料"的两个重要方向之一。阻燃防火材料方向的学习内容分主要有基础理论、前沿研究及潜在应用。因此,在安全工程课程中,要着重培养研究生对于新材料的认识及动手操作能力,在阻燃防火材料的研制中做出突破性进展。

关键词：
专业知识
安全工程
机械专业
研究生培养
阻燃防火材料
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随着现今科学技术大飞跃式前进，交叉领域已然成为新兴且重要的科技研究及应用的发展大趋势。“新材料”作为高新技术的基础和先导，已与生物和信息共同成为二十一世纪最重要及最具发展潜力的领域[1]。与传统材料类似，新材料可以以结构、组成、功能和应用等多种角度分类，其中，不同分类间可相互交叉、嵌套。

目前较为认可的新材料领域分类有以下几种：特种金属功能材料、高端金属结构材料、先进高分子材料、新型无机非金属材料、高性能复合材料、前沿新材料[2]。而按照应用分则为阻燃和低碳。最近几年，随着人民生活与环境的日益提高，随着不断健全的法律法规以及不断提高的安全意识，阻燃防火材料的需求也逐渐提升，建筑与纺织的阻燃联合悄然兴起。阻燃防火材料已成为不可或缺的世界组成之一。

当今传统的单一领域学科的课程难以满足新形势下研究生对于专业知识的渴求，尤其是国家已将“新材料”列入科技发展的重点规划中。而阻燃又被制定为“新材料”的两个重要方向之一，也是相关专业机构和科研人员不断追求的目标。火灾与可燃物和周围环境息息相关，尤其是纺织、皮革、家具、建筑等领域[3]。木器和纺织品均属于火灾高发频发的领域，在使用过程中如未经过阻燃处理，必然会成为引发火灾的安全隐患。

纺织材料燃烧会释放毒性、腐蚀性气体，给人们的生命财产带来严重威胁；建筑火灾大都由大量的室内易燃可燃物造成，易引发火势蔓延。通过改性木器漆、纺织整染涂料、纺织面料、建筑材料等，能够阻止或延缓火灾蔓延扩大，最大限度降低火灾危害。研究生是国家科技发进步的栋梁，研究生在校期间的科研能力培养对于其开发阻燃防火材料具有重要的意义和前景。在阻燃防火材料方向研究生的科研能力培养过程中，笔者主要就制定课题方向及阻燃材料的合成表征提出个人的几点建议及意见，以供相关领域的导师及学生提供一定的可行参考及指导。

1、课题制定的指导

燃烧是一种发光放热的化学反应，其反应具备三个必然要素：可燃物、着火源及助燃物(氧)。绝大多数纺织品都属于有机可燃物，很多塑料、橡胶、木器也属于易燃有机物。因此，阻止其被燃烧和持续性燃烧，就必须对有机原材料或者成型制品表面进行改性，隔绝热传递、抑制燃烧。阻燃防火材料通常分有机和无机两个主要方向[4]。笔者长期从事阻燃有机材料研制，故更多的探讨关于有机方向课题的制定。

有机阻燃防火材料更多为阻燃涂料、阻燃纤维、阻燃塑料、阻燃橡胶、阻燃剂等。涂料应用领域主要包括建筑、木器家具、纺织皮革等，交联阻燃涂料的阻燃性能、力学性能和热稳定性优异，可以满足以上领域对阻燃性能的需求。此外，世界各国对环境友好型阻燃材料的需求日益上升。卤系阻燃材料的性能非常优异，在早期的阻燃研究中占具重要地位。但是，卤系阻燃材料在燃烧时会产生大量的烟及腐蚀性、有毒气体，这使由低毒的无卤阻燃材料受到广泛关注[5,6]。

1.1 课题方向

不同材料、不同用途，对阻燃防火的要求不同，即对无卤阻燃剂及无卤阻燃材料选择有要求。理想的无卤阻燃剂及无卤阻燃材料阻燃效率高、对环境友好，且与被阻燃基材相容，还需具有热稳定性、光稳定性、简单工艺、原料易得、成本低廉。实际上，没有一种无卤无卤阻燃剂及无卤阻燃材料能够同时满足以上要求。添加型阻燃材料会有挥发、溶出、迁移和渗出等问题。

反应型阻燃材料通过化学反应将阻燃结构单元接入到聚合物分子链，从而弥补添加型阻燃材料的不足。一般来说，用纳米无机阻燃剂改性的阻燃材料若含有过多的纳米无机阻燃剂，会损害阻燃材料的性能。磷-氮系阻燃剂制备出的阻燃材料虽然阻燃性好、无毒、低烟、无污染，但成本高。膨胀型阻燃剂能够提供给阻燃材料优异的性能，但在表面整理中需要对膨胀型阻燃剂改性，才能得到稳定涂料。

1.2 阻燃机理

阻燃剂与燃烧有着密切的关系。提高纺织、木器、建筑等本身的氧指数，通过添加阻燃剂对其参与燃烧的阶段加以抵制，隔绝热量传递，阻断或减缓燃烧，使燃烧化学反应停止。通过实验证明：氧指数越高，阻燃效果越好。反应型卤系阻燃材料的阻燃性能非常优异，但在燃烧时会产生大量的烟以及含卤素的腐蚀性有毒气体。反应型无卤阻燃材料不仅具有很好的阻燃性能，还具有很好的综合性能。

其中，反应型有机磷系阻燃材料的综合性能尤为突出[7]。在燃烧时，反应型有机磷系阻燃材料受热分解产生磷酸和偏磷酸，后又受热缩合产生聚磷酸和聚偏磷酸，形成非燃液态膜覆盖在残炭表面起到保护作用。同时，非燃液态膜是很强的脱水剂，可使材料脱水炭化生成致密且无空洞的磷-碳层，隔绝热量和氧气，最终阻止炭层继续燃烧。此外，磷-氮系阻燃也是目前较为流行的阻燃机理，例如含三聚氰胺及其盐类的阻燃剂大都具有膨胀成炭的功能，在热分解时释放出CO2、N2及NH3等产物，无卤化氢产生，其热稳定性也较高。

1.3 目前难点

在建筑、木器家具、纺织皮革这些领域应用的阻燃材料，不仅需要优异的阻燃性，还需具有多功能性，例如发光、紫外光屏蔽、哑光、高光、疏水、温度敏感等功能性。目前，满足不同领域的多种需求的多功能性阻燃材料还处于研制初期阶段。根据当前可持续发展及环境友好的研究趋势中，可在课题制定中根据以下难点开展研究：第一，对改性阻燃材料的阻燃剂使用单一；第二，缺少具有特殊背景应用领域的阻燃材料；第三，阻燃材料的阻燃效率及效果还需进一步提高。

2、研究能力的培养

通过对燃烧基本知识的学习研究，使学生掌握燃烧理论知识，认识纺织材料的燃烧性能及各项物理化学指标，尤其弄清楚阻燃防火材料的合成机理，研究生的能力培养夯实基础。阻燃防火材料的制备方法众多，共混复配型阻燃防火材料主要通过物理添加的方式进行改性，工艺简单，但阻燃效果不佳。而反应型阻燃防火材料则需要将阻燃剂作为反应单体聚合到聚合物分子链上，进行本质阻燃改性，虽然合成工艺较复杂，但阻燃效率高且久。根据阻燃剂改性聚合物分子链段部位的不同，还可分为软段改性法、硬段改性法和软硬段共改性法。

2.1 阻燃防火塑料、橡胶及纤维

添加型阻燃防火塑料及纤维是将阻燃剂加入到原母料中物理共混所得。无卤添加型阻燃防火塑料及纤维的阻燃剂一般都为无机纳米材料，如纳米蒙脱土、纳米二氧化硅及硅酸盐。通常，加入无机纳米材料后，能够带来无机纳米材料本身的一些特性，如刚性大、耐热性好和耐化学品性好等。其不仅能够提高阻燃性，也能够提高阻燃防火塑料及纤维的力学性能和热稳定性。目前，除了加入无机纳米材料之外，由于无需添加另外碳源，显著减少固体的添加量，使得阻燃防火材料的外观性能更好，因此膨胀型阻燃剂也逐渐的受到重视，如高聚合度聚磷酸铵(APPⅡ)、三聚氰胺(MA)及其盐类。

2.2 阻燃防火涂料及粘合剂

根据组成类型，阻燃防火涂料及粘合剂可以分为单组分、双组分和超支化型。单组分阻燃防火涂料及粘合剂是将软段和硬段以嵌段式结合构成，阻燃剂参与合成反应。双组分阻燃防火阻燃防火涂料及粘合剂由阻燃羟基组分和异氰酸酯组分组成。对于阻燃羟基组分，其结构可控、易设计、制备过程与单组分阻燃防火阻燃防火涂料及粘合剂的合成类似。对于异氰酸酯组分，其结构固定，若结构单元上含有阻燃元素，可在受热时释放不可燃气体。双组分阻燃防火阻燃防火涂料及粘合剂不仅具有单组分阻燃防火阻燃防火涂料及粘合剂的优点，还具有很好的热稳定性。超支化阻燃防火涂料及粘合剂一类具有高度支化结构的大分子，且有无缠绕、非结晶性等特点，在黏合剂、油墨及涂料等方面具有应用价值，对阻燃剂的利用效率高。

3、结语

安全是人们追求幸福生活的基本诉求，培养针对交叉领域领域的研究生也是势在必行。阻燃防火材料在不断地发展。在未来，无卤阻燃防火材料仍在安全工程中占具重要地位，在纺织、家具、汽车、航空航天等领域的应用不断提升。通过培养研究生对于阻燃防火材料的认知及制备能力，有利于安全工程的研究发展以及顺利从事安全领域的相关工作，保障人们生命财产安全。

参考文献:

[1]王燕宇,梁小雨.二十一世纪最具发展潜力的新兴产业[J].科技智囊,2018,05:64-73.

[2]屠海令,马飞,张世荣,等.我国新材料产业现状分析与前瞻思考[J].稀有金属,2019,43(11):1121-1130.

[3]王春雪,吕淑然,索晓.国内外阻燃剂研究现状可视化分析[J].消防科学与技术,2016,35(05):660-663.

[4]廖立敏,李建凤,黄茜.阻燃材料的研究及应用综述[J].山东化工,2019,48(17):87-88.

文章来源：尹绚,孙黎黎,朱桂丹.安全工程课程中基于阻燃防火材料的研究生培养[J].广东化工,2021,48(12):248-249.