（1）熟悉树脂基材料燃烧现象，掌握树脂基材料阻燃机理；

（2）掌握阻燃改性影响因素（阻燃剂、增效剂）及其影响规律，掌握树脂基材料阻燃配方综合设计与优化方法；

（3）熟悉阻燃改性树脂基材料的制备、加工成型工艺，熟悉阻燃性能、拉伸性能测试表征技术；

（4）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；使学生树立正确的社会责任、专业担当、及职业精神，增强国家自豪感及对制度的自信。

本实验针对树脂基材料阻燃配方优化问题，融合配方设计、成型加工、性能测试等知识建成综合虚拟仿真实验。

1）阻燃机理

树脂基材料燃烧是一种剧烈、复杂的热氧化反应（图1），通常是在外界热源作用下，材料先与氧发生自由基链式降解反应，产生挥发性可燃物，当达到一定浓度和温度时就会着火燃烧；燃烧所放出的热量部分供给正在降解的材料，进一步加剧其降解，产生更多的可燃性气体。

图1 燃烧过程

阻燃剂是一类能够阻止材料引燃或抑制火焰传播的助剂，作用是阻止或抑制物理或化学变化的速度。阻燃机理主要包括：

① 吸热

② 覆盖效应

③ 稀释效应

④ 转移效应

⑤ 抑制效应(捕捉自由基)

⑥ 协同增强效应

常用的阻燃剂类型包括卤系、磷系、氢氧化物、碳酸盐等。卤系阻燃剂为主要品种之一，其作用机理为捕捉燃烧反应的活性中间体，从而抑制自由基连锁反应（图2），使燃烧速度降低直至火焰熄灭。常用的溴类、氯类有机卤化合物就有这种抑制效应。

图2 卤系阻燃剂作用机理

三氧化二锑（Sb₂O₃）是卤素阻燃剂的高效增效剂，Sb₂O₃与卤素化合物并用可起到增强阻燃的效果（图3），且可以减少阻燃剂用量。

图3 Sb₂O₃是卤素阻燃剂协同效应

2）树脂基材料配方优化研究

项目基于前期阻燃树脂基材料科研成果数据积累、结合应用实践基础，总结提炼出十溴二苯乙烷（DBDPE）为阻燃剂、Sb₂O₃为增效剂的ABS（丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物）基阻燃材料体系；该体系具有系统的配比对阻燃性能（氧指数LOI）、拉伸强度的影响规律基础数据。从而构建了阻燃ABS材料多参数配方设计对阻燃、力学性能的影响规律仿真模型（图4）。能够满足学生自主设计配方，并得到材料性能，从而总结阻燃材料组成对性能的影响规律。

图4 组分对材料性能影响模型

材料应用离不开成本的因素，本虚拟仿真实验引入材料成本核算，将成本作为阻燃配方设计的考虑因素，增加工程视角，使学生意识到材料配方设计需要平衡阻燃性能、阻燃剂添加带来的力学性能下降、及成本增加等因素。因此，实验中设计了基于阻燃性能、力学性能、及材料成本三维度配方优化评价方案，使学生配方设计更具综合性。

学生能够在虚拟场景下，运用材料阻燃原理，学习配方多参数化设计、成型加工、性能评测等相关知识。可在短时间内进行多种阻燃材料配方设计及性能评测，总结相关规律，掌握树脂基材料阻燃配方设计及性能检测的基本知识和技能。

知识点：共 5 个

1. 材料燃烧及阻燃机理

2. 阻燃改性材料配方设计与优化

3. 阻燃改性材料制备

4. 材料阻燃性能测试

5. 材料力学性能测试

本虚拟实验的教学过程如下图5所示。实验包括四个模块：

（1） 模块一：实验背景

本实验项目的整体介绍，包括背景介绍、实验原理、实验目的、以及实验开展的相关流程等。内容中添加了火灾现场及阻燃材料对防护火灾的作用等视频，更好的激发学生做好阻燃材料设计的责任心。

（2） 模块二：制备与成型加工

对阻燃改性材料的配方进行初选，并完成材料的改性制备，及测试试样的加工成型。

（3） 模块三：性能测试

针对改性后材料的阻燃性能、力学性能，利用相关测试设备，完成材料的氧指数、垂直燃烧性能、及拉伸强度检测。评估初选材料配方的性能，并初步探索组成对性能的影响。

（4） 模块四：配方优化

通过自主设定配方参数，模拟科研过程，研究组成对材料阻燃性能、力学性能、材料成本影响，总结配方组成对材料综合性能影响规律，并开展阻燃配方优化设计。

图5 实验教学过程

（1）学生交互性操作步骤，共13步

实验项目中交互步骤如下：

（2）交互性步骤详细说明

模块二：制备及成型加工

目的：以任意阻燃材料配方组成的设计为先导，使学生认识阻燃材料配方基本组成，同时建立配方设计的基本概念。并熟悉配方设计后，需经过材料改性制备、加工成型等工艺后，才能成为最终应用材料。

效果：配方组分的选择会直接影响到材料的加工性能、阻燃性能、力学性能等。通过让学生进入试验后，先自行选择一组配方，经过成型、检测后得到相应的性能指标，并可以判断阻燃性能是否能达标。

1） 树脂基复合材料阻燃配方初步选择

输入一种配比，进行树脂基复合材料的制备、加工成型和性能测试

完成加工成型后，经测试，可以得到设定组分配方材料的性能；设定不同配方材料，性能测试不同。

模块三：材料性能测试

目的：训练学生阻燃材料的氧指数、垂直燃烧、拉伸强度的多步骤测试过程，并就学生关心的材料组成变化对性能的影响，进行快速设置并得到测试结果。

1）设置氧气浓度，进行氧指数测定实验

根据设定氧浓度，进行燃烧测试，依据标准测试步骤，反馈样条燃烧结果，并记录。

2）选择是否重复进行同种样条的氧指数测定

选择是，在数据记录表中输入其他氧气浓度，能够得到该氧气浓度下燃烧过程数据；通过系列氧浓度的燃烧数据，可以得到样品的氧指数值。

选择否，结束本次样品氧指数测定实验，开始下一个测试。

3）重新设置氧气浓度，进行氧指数测定

根据氧指数测定原理，属于系列氧浓度，并得到燃烧结果，从而得到氧指数。

4）选择是否重复进行同种样条的垂直燃烧测定

完成一条试样条垂直燃烧后，提示是否重复同种样条的测定。

选择是，重复同组分试条的测试；

选择否，介绍燃烧测定实验，进入下一个测试环节。

5）选择是否进行其他样条的阻燃性能和力学性能测试

选择是，进入组分对性能影响初步的拓展模块，根据输入配比的变化，得到相应的材料性能；

选择否，结束实验。

6）输入不同配比，得到其他样条阻燃性能和力学性能结果

模块四：阻燃配方优化设计

目的：阻燃配方中阻燃剂、增效剂的用量显著影响材料的阻燃性能、力学性能及材料成本，工程应用材料需平衡对各性能的不同影响，获得最佳配方设计。

效果：学生可以自主选择相应科学研究方法为指导，开展配方设计性研究活动，总结多参数影响下的阻燃配方综合性能评价规律，并得到最优实验配比。

1）进行配比优化时，输入基体配比

2）进行配比优化时，输入阻燃剂配比

3）进行配比优化时，计算增效剂配比

4）输入不同配比，测试，得到不同氧指数、拉伸强度、成本和配方综合得分结果

5） 改变配比参数，得到综合性能的多参数影响规律，获得优化配方结果

6）编辑实验报告，并提交。学生进行实验报告的编辑，并提交，教师可以实时查看学生实验报告并评分。