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川大王玉忠院士团队 Research:基于聚合物真实燃烧数据的阻燃研究新范式

川大王玉忠院士团队 Research:基于聚合物真实燃烧数据的阻燃研究新范式 高分子科技
2024-06-24
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导读:一种可迭代、加速阻燃材料研发的高通量设计框架...
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有机高分子材料已广泛应用于国民经济和人们生活的各个领域,体积产量超过金属材料。然而,与金属材料和无机非金属材料相比,有机高分子材料具有易燃性,易被引燃引发火灾,造成人员伤亡及财产损失。赋予有机高分子材料阻燃性是从源头上解决易燃高分子材料引发火灾的有效措施,具有不可替代的作用。但已有阻燃机理的研究是在非真实火环境下得到的,从而不能有效指导阻燃化设计,甚至得出的结论对阻燃设计完全无效。正因如此,目前有机高分子材料的阻燃化还不能完全上升到科学的层面,更多的是凭经验设计。为解决这一阻燃领域的难点问题,研究团队已创制出聚合物燃烧过程实时在线分析仪,能够科学表现聚合物真实燃烧行为并采集大量真实燃烧数据,表征燃烧/阻燃性能并同时原位分析燃烧行为/机理。

近期,在该仪器基础上,四川大学王玉忠院士团队报道了一种可迭代、加速阻燃材料研发的高通量设计框架(图1)。该框架集合了燃烧分析仪、虚拟反应器和材料基因模型,用于加速阻燃材料设计研究。其利用聚合物燃烧过程实时在线分析仪,捕获阻燃材料真实燃烧时的化学反应和中间体结构;从真实燃烧数据中提取阻燃材料的燃烧反应规律,并构建了虚拟燃烧生成器(图2)以提取更多的燃烧中间体信息;作为阻燃材料的重要特征,大量的燃烧中间体信息被应用于训练分子基团对阻燃性的定量贡献模型。利用该框架可解析真实燃烧数据和总结出系列燃烧反应规则,据此可获得比实验结果更多的燃烧信息;以真实燃烧信息为数据源构建分子基团对阻燃性的定量贡献模型(图3),具有高准确率(88.8%,而仅基于高分子结构与机器学习算法得到的准确率仅为60.6%-72.6%,经验规则的准确率仅为36.5%);结合阻燃结构的可反应性评价和定量贡献模型,在团队构建的阻燃结构化学空间(包含5万个以上阻燃结构)中搜索潜在阻燃结构,已优选出具有潜在高阻燃性的分子结构并进行了合成验证。

图1 加速阻燃材料设计的可迭代框架

2 虚拟反应器及其用于获取燃烧信息

3 阻燃构效关系模型具有高准确性及其用于阻燃新材料发现

该工作以Scientific Discovery Framework Accelerating Advanced Polymeric Materials Design为题发表在《Research》上(DOI: 10.34133/research.040)。论文的第一作者是四川大学博士研究生王然,通讯作者为四川大学付腾研究员王玉忠院士。该论文得到了国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目、重大项目等项目的资助支持。


文章链接

https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0406


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