研究背景
可发性聚苯乙烯（EPS） 泡沫因其优异的隔热性、稳定性和低成本等特性，在建筑保温领域占据主导地位。然而，其高度易燃性导致严重的火灾隐患，燃烧时产生的有毒烟雾更是火灾致死的主要原因。阻燃 EPS 泡沫板能有效抑制火灾初期的火势蔓延，显著降低材料燃烧时的热释放速率和有毒烟气产生。因此，提高 EPS 的阻燃和抑烟性能至关重要。
研究内容
本研究由沈阳理工大学和辽宁工程技术大学等单位合作，基于机器学习势方法，使用 AMS 软件中的 ML Potential 模块来完成燃烧模拟工作，其中的 M3GNet 经过 SCM 公司训练优化，成为普适性较好的一种势，默认情况下即可模拟 89 种元素的体系，支持用户针对特定体系进一步优化训练。
作者构建三聚氰胺改性脲醛树脂、纳米二氧化硅、硼酸阻燃涂层晶胞模型，通过模拟手段从微观层面阐明了体系在燃烧过程中通过气相及凝聚相的协同阻燃机制，为高性能 EPS 阻燃涂层的设计提供了理论依据与实践指导。
在模拟过程中，0-2500 fs 阶段涂层体系内的势能在增加，说明该阶段体系内发生吸热反应；在 2500-7500 fs 阶段体系内的势能在缓慢降低；在 7500-30000 fs 阶段体系的势能趋于平衡。在 7500 fs 内随着温度的升高，三种涂层体系内的总分子数量在快速增加，7500-30000 fs 内，体系内分子的数量上下波动减弱，说明体系内燃烧逐渐减弱，分子的消耗和生成逐渐趋于平衡。
图 3 展示了涂层系统燃烧后形成的凝聚相残留物，其主要成分是硅（Si），同时还包含有硼（B）、碳（C）、氢（H）、氧（O）和氮（N）的复杂多元素化合物。这些化合物通过共价键、离子键和配位键等多种化学键合模式建立了稳定的分子框架，反映出在高温条件下，凝聚相内部发生了显著的化学重组与稳定化。这种微观结构赋予残留物双重阻燃功能：既可作为物理屏障，又可催化碳化。在燃烧过程中，MUF、硼酸和二氧化硅之间的分子相互作用通过 B-O-Si 和 Si-O-C 键促进链间交联，从而形成新的硼硅酸盐玻璃相和碳化物陶瓷碎片。这些相共同在基材表面形成致密多孔的复合固体层，有效阻隔热量和氧气向底层聚合物的传递，从而防止进一步的燃烧损伤。在此层内，二氧化硅颗粒作为物理屏障骨架，抑制裂纹扩展和热传导；而由硼酸脱水形成的三氧化二硼玻璃相则包裹炭层表面，密封结构缺陷并增强残余物的致密性和热稳定性。
研究结论
通过基于 M3GNet 的分子动力学模拟，揭示了涂层在燃烧过程中内部分子数量、势能以及凝聚相与气相产物的动态演化规律。研究表明：
- 涂层燃烧生成的非金属化合物可在EPS表面形成保护层，发挥凝聚相阻燃作用。
- 涂层在受热过程中释放大量CO2、H2O等不可燃气体，且生成的化合物对活性自由基表现出较强的捕获能力，从而有效实现气相阻燃。
该模拟研究为EPS泡沫的阻燃设计提供了新思路，在建筑、工业及交通运输等领域具有广泛的应用前景。
参考文献
- Wei Zhang, Wantong Jiang, Zhixin Yang, Yifu Xiang, Bin Li, Linlin Zhang, Jinzhang Jia, Glassy-state coatings based on B2O3-SiO2 crosslinked networks: Simultaneous flame retardancy, thermal insulation, and mechanical reinforcement of polystyrene, Polymer Degradation and Stability, 2025, Volume 242, 111690. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2025.111690