生物基與阻燃能否有火花？

隨著人們對環境問題認識的不斷深入，綠色、可再生的生物基阻燃劑在阻燃體系中的應用受到越來越多的關注，各種生物基化合物，如糖基化合物、生物基芳香族化合物、DNA、蛋白質、植酸等，由於其優異的成炭能力，可作為一種天然、高效的碳源應用於膨脹阻燃技術。

阻燃劑是一種能夠提高易燃或可燃物質的阻燃性或消煙性的化學助劑，主要用於合成材料或紙張、木材、纖維等的阻燃。隨著環境保護和資源利用要求的不斷提高，綠色化成為阻燃劑的必然選擇和發展趨勢。

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纖維素

纖維素由葡萄糖分子聚合而成，是自然界最豐富的一類可再生資源。微細纖維組合形成纖維素纖維，化學預處理等方式可以實現纖維素在生物質材料中的分離，用強酸處理纖維素纖維殼形成纖維素微晶或纖維素奈米晶。

溫度條件，熱解時間、加熱速率、纖維素特性（結晶度、聚合度和粒徑）和其他成分的存在會影響纖維素的熱降解途徑和速率，從而影響炭的生成量。纖維素的多羥基結構能夠使化學改性成為提高阻燃效能的有效途徑，纖維素磷酸化是目前研究最廣泛的一種改性方法，酯化是最常用和最簡單的反應。

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木素

木素是一種廣泛存在植物中無定形的芳香族高聚物，豐富量僅次於纖維素，分子結構中含有氧代苯丙醇或其衍生物結構單元。木素的芳香結構分解後有較高的殘炭率，可作為碳源用於膨脹阻燃體系。

此外，木質素包含多種官能團（甲氧基、酚羥基、醛基和羧酸基）和許多不同的鍵，這為其化學修飾提供了多種可能性，主要官能化反應是酯化、醚化、矽烷化、酚化等。木素與金屬氫氧化物、磷基化合物等其他阻燃劑結合，能夠進一步提高阻燃效果。

在對羥基的改性中，磷酸化的研究越來越多。在木質素磷酸化之前增加羥基的量，以及接枝含磷和氧的化合物可以確保更好的阻燃效能。木質素的熱降解及炭的形成是一個複雜的機制，受許多引數的影響，如木質素的植物來源及其提取過程，加熱條件和其他成分的存在。

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澱粉

澱粉由葡萄糖分子聚合而成，以澱粉粒形式儲存於細胞中，在種子、塊莖和塊根等植物器官中含量豐富。澱粉是一種多羥基物質，在燃燒時可以交聯成炭，可用於膨脹阻燃體系中的碳源。

澱粉的熱降解過程分為3個階段：

第一階段為釋放吸附水的物理脫水；

第二階段始於約300℃，化學脫水、熱分解以及羥基之間的熱縮合導致醚鏈段的形成和水的釋放，葡萄糖環中相鄰羥基的脫水導致形成C=C鍵或環斷裂，在較高溫度下會形成芳香環；

第三階段發生於500℃以上，發生碳化反應並形成大的共軛芳族結構。澱粉的熱分解和穩定性主要取決於其組成和結構，透過接枝新的官能團進行化學改性也會影響其熱行為。

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環糊精

環糊精（CD）是直鏈澱粉在酶作用下生成的一系列環狀低聚糖的總稱，CD具有外緣親水、內腔疏水的空腔結構，使之能與多種分子形成包合物，給它的改性提供了更多的空間。CD熱降解會形成大量的碳質殘渣，作為膨脹型阻燃體系中的碳源或作為磷化合物的包埋劑以改善其結合作用較低的情況。

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殼聚糖

幾丁質是第二豐富的天然多糖，主要存在於真菌和酵母的細胞壁、甲殼類動物的外殼和節肢動物的外骨骼中，殼聚糖（CS）是幾丁質完全或部分脫乙醯化產物。殼聚糖具有羥基的碳水化合物結構，可用作阻燃體系中的碳源。

殼聚糖分子由於含有遊離氨基，在酸性溶液中易成鹽，呈陽離子性質，可以採用層層自組裝的方法制備阻燃修飾層。單一殼聚糖在一定程度上提高聚合物的熱穩定性，但由於其含氮量低，並不能提高材料的阻燃等級，使用受到一定限制，常與其他含磷材料共用於磷氮協同阻燃。

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DNA

DNA由核苷酸聚合而成，是一種存在與所有生物體內的雙螺桿結構大分子。每個核苷酸由含氮鹼基、五碳糖和磷酸基3部分組成。在熱分解過程中，磷酸基產生磷酸，可以作為酸源；五碳糖形成芳香結構，可以作為碳源，含氮鹼基釋放氨氣，可以作為氣源，故DNA是一種潛在的三源一體的膨脹型阻燃劑（IFR）。

阻燃微球製備過程圖

DNA在較低溫度（160~200℃）形成多孔隙、泡沫型、隔熱的膨脹殘留物，且會在持續的加熱下轉化為一種熱穩定性極高的陶瓷類材料，比有機衍生的膨脹炭能夠承受更長的火焰暴露時間。

已經開發的大規模製備方法使得DNA的可獲取性與其他IFR材料具有競爭力；同時阻燃應用時所需純度要求不高，從而可以進一步降解原料成本。由於DNA的耐洗滌效能較差，需透過與其他材料交聯接枝來改善。

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蛋白質

蛋白質是由氨基酸以脫水縮合的方式組成的多肽鏈再經過盤曲摺疊形成。棉織物在塗布酪蛋白或疏水蛋白後，會導致纖維素過早發生熱分解，從而有利於炭的形成，避免由於酸性物質的釋放而解聚，並進一步產生揮發物，防火效能得到改善。

乳清蛋白由於良好的阻氧效能和較大的水蒸氣吸附效能，在燃燒時能阻礙氧氣的擴散，同時吸收熱量促進炭的形成，可應用於阻燃塗料。但目前蛋白質主要應用於纖維素基質阻燃，在塑膠等其他方面的應用有所限制。

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其他生物基材料

還有一些生物基材料如茶皂素（TS）、植酸、香草醛、衣康酸等在阻燃材料方面也有廣泛的應用。

如何進一步提高接枝改性技術，將氮、磷、矽等阻燃元素與生物基化合物有效結合，提高阻燃效果是生物基阻燃劑發展的重要途徑。未來增強生物基阻燃劑與聚合物基體的相容性以及降低聚合物在加工過程中的熱降解，改性生物基阻燃劑以提高複合材料的綜合性能值得進一步探索。

此外，生物質精煉技術的不斷髮展，使許多生物基成分的提取成為可能，促進了生物基化合物的高價值新應用和生物基材料的生產，但這些生物基化合物的結構和組成多變，採用合理有效技術控制及克服天然原料的侷限性，同時提高阻燃效率是生物基阻燃劑能夠工業化應用的必要措施。