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膨胀型水性防火涂料因兼有水性涂料环境友好和膨胀型防火涂料阻燃效果显著的两大优点，一直受到业界的青睐，目前广泛应用于木结构和钢结构保护等许多领域。但传统的膨胀型水性防火涂料具有固含量较高、形成的泡沫状碳层强度较差等缺点，导致使用效果受到了限制。为了解决此问题，需要寻找更高阻燃效率的协效阻燃剂。 近年来，学术界在此领域的研究取得了一些进展，发现某些功能性纳米粒子和金属化合物阻燃效率较高，或具有阻燃和抑烟同步增效的作用，并相应提出了新的阻燃和抑烟机理。但上述协效剂和很多相关理论主要涉及塑料、橡胶等聚合物材料，而尚未在水性防火涂料上获得验证。此外，由于目前国内对防火涂料生烟方面缺乏限制标准，抑烟技术方面的相关研究也较少，导致了防火涂料行业发展严重落后于西方国家。 本研究以水性丙烯酸乳液为成膜物质，以目前已获得成熟应用的聚磷酸铵(APP)、三聚氰胺(MEL)、季戊四醇(PER)膨胀阻燃体系(Intumescent Flame Resistant，IFR)为基础，分别加入二氧化钛、钼酸铵等金属化合物和氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）纳米粒子作为协效阻燃剂或抑烟剂制备膨胀型防火涂料，并着重讨论阻燃和抑烟性能、涂料膨胀过程以及炭层内部结构形态三者之间的关系，对协效阻燃抑烟剂的作用机理做重点探索。此外，本研究讨论了此类膨胀型防火涂料燃烧过程数学模拟的路径选择，并结合已得出的阻燃机理与燃烧温度场条件的关系，在充分了解其优势和短板的基础上优化出一系列实用、高效、阻燃抑烟性能平衡的水性膨胀型防火涂料。 本研究分为以下四部分。 第一部分首先将金红石型和锐钛型两种常作为颜料的二氧化钛分别加入含有APP-PER-MEL体系的乳液中配制膨胀型防火涂料，对其阻燃、抑烟效果和热稳定性分别采用大板燃烧法、烟密度测试法和热重分析法(TGA)进行了研究。结果发现添加了30phr金红石型二氧化钛的试样的耐燃时间(73 min.)远大于添加了30phr锐钛型二氧化钛(34min.)的试样，但烟密度和热稳定性表现明显较差。随后，利用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)和红外光谱(FTIR)对试样炭层的结构和形态进行了对比研究，发现两类试样表面均出现白色物质形成的保护层。此外，研究发现炭层膨胀过程与涂料熔体流动速率(MFR)有密切关系，当MFR大小与膨胀过程相匹配时成炭效果最佳，可获得良好的阻燃抑烟性能。 第二部分分别应用三氧化二锑、氧化锡、三氧化二铁、钼酸铵配制膨胀型防火涂料，并对其阻燃和抑烟效果和热稳定性分别采用大板燃烧法、烟密度测试法和热重分析法(TGA)进行了研究。结果发现三氧化二锑、氧化锡、三氧化二铁可以提高阻燃涂料的耐燃时间并降低烟密度，但添加量较大，阻燃抑烟效率较低。而钼酸铵添加量仅为2phr时，防火涂料的残炭量高达23％，耐燃时间增加79.1％，烟密度等级仅为21.3。通过扫描电镜等手段分析发现，钼酸铵具有独特的阻燃机理，可以显著提高防火涂料的成炭率并改善炭层质量，是一种高效阻燃抑烟剂。但钼酸铵在水性涂料中易破乳，限制了它的应用。 第三部分将少量GO加入涂料中以提高成炭量和热稳定性，并对其阻燃和抑烟效果采用大板燃烧法、锥形量热法和烟密度测试法进行了研究。结果表明，GO能非常有效地降低涂料试样的峰值热释放速率(pHRR)和生烟速率(pSPR)，当添加量为0.025phr时pHRR从132.32 kW/m2降至39.10 kW/m2，当添加量为0.125phr时pSPR从0.024m2/s降至0.013m2/s。结合扫描电镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)、差热分析(DTA)和红外光谱(FTIR)等手段对试样炭层的结构形貌进行分析后发现，具有片状结构的氧化石墨烯在涂料受热膨胀过程中会使自身和聚合物分子链取向，进而在聚合物炭化过程中形成骨架结构增加炭层强度，达到阻燃和抑烟的目的。 第四部分在总结了许多膨胀阻燃聚合物燃烧过程模拟技术的基础上引入一个较为先进的膨胀型防火涂料专用数学模型，定量讨论了本研究提到的各种阻燃机理在模型中的体现以及温度场对阻燃效果的影响。在此基础上较好地解释了二氧化钛向表面迁移和锥形量热仪、大板燃烧法、热重分析结果出现差异等现象。