生物基与阻燃能否有火花？

随着人们对环境问题认识的不断深入，绿色、可再生的生物基阻燃剂在阻燃体系中的应用受到越来越多的关注，各种生物基化合物，如糖基化合物、生物基芳香族化合物、DNA、蛋白质、植酸等，由于其优异的成炭能力，可作为一种天然、高效的碳源应用于膨胀阻燃技术。

阻燃剂是一种能够提高易燃或可燃物质的阻燃性或消烟性的化学助剂，主要用于合成材料或纸张、木材、纤维等的阻燃。随着环境保护和资源利用要求的不断提高，绿色化成为阻燃剂的必然选择和发展趋势。

1纤维素

纤维素由葡萄糖分子聚合而成，是自然界最丰富的一类可再生资源。微细纤维组合形成纤维素纤维，化学预处理等方式可以实现纤维素在生物质材料中的分离，用强酸处理纤维素纤维壳形成纤维素微晶或纤维素纳米晶。

温度条件，热解时间、加热速率、纤维素特性（结晶度、聚合度和粒径）和其他成分的存在会影响纤维素的热降解途径和速率，从而影响炭的生成量。纤维素的多羟基结构能够使化学改性成为提高阻燃性能的有效途径，纤维素磷酸化是目前研究最广泛的一种改性方法，酯化是最常用和最简单的反应。

2木素

木素是一种广泛存在植物中无定形的芳香族高聚物，丰富量仅次于纤维素，分子结构中含有氧代苯丙醇或其衍生物结构单元。木素的芳香结构分解后有较高的残炭率，可作为碳源用于膨胀阻燃体系。

此外，木质素包含多种官能团（甲氧基、酚羟基、醛基和羧酸基）和许多不同的键，这为其化学修饰提供了多种可能性，主要官能化反应是酯化、醚化、硅烷化、酚化等。木素与金属氢氧化物、磷基化合物等其他阻燃剂结合，能够进一步提高阻燃效果。

在对羟基的改性中，磷酸化的研究越来越多。在木质素磷酸化之前增加羟基的量，以及接枝含磷和氧的化合物可以确保更好的阻燃性能。木质素的热降解及炭的形成是一个复杂的机制，受许多参数的影响，如木质素的植物来源及其提取过程，加热条件和其他成分的存在。

3淀粉

淀粉由葡萄糖分子聚合而成，以淀粉粒形式储存于细胞中，在种子、块茎和块根等植物器官中含量丰富。淀粉是一种多羟基物质，在燃烧时可以交联成炭，可用于膨胀阻燃体系中的碳源。

淀粉的热降解过程分为3个阶段：

第一阶段为释放吸附水的物理脱水；

第二阶段始于约300℃，化学脱水、热分解以及羟基之间的热缩合导致醚链段的形成和水的释放，葡萄糖环中相邻羟基的脱水导致形成C=C键或环断裂，在较高温度下会形成芳香环；

第三阶段发生于500℃以上，发生碳化反应并形成大的共轭芳族结构。淀粉的热分解和稳定性主要取决于其组成和结构，通过接枝新的官能团进行化学改性也会影响其热行为。

4环糊精

环糊精（CD）是直链淀粉在酶作用下生成的一系列环状低聚糖的总称，CD具有外缘亲水、内腔疏水的空腔结构，使之能与多种分子形成包合物，给它的改性提供了更多的空间。CD热降解会形成大量的碳质残渣，作为膨胀型阻燃体系中的碳源或作为磷化合物的包埋剂以改善其结合作用较低的情况。

5壳聚糖

几丁质是第二丰富的天然多糖，主要存在于真菌和酵母的细胞壁、甲壳类动物的外壳和节肢动物的外骨骼中，壳聚糖（CS）是几丁质完全或部分脱乙酰化产物。壳聚糖具有羟基的碳水化合物结构，可用作阻燃体系中的碳源。

壳聚糖分子由于含有游离氨基，在酸性溶液中易成盐，呈阳离子性质，可以采用层层自组装的方法制备阻燃修饰层。单一壳聚糖在一定程度上提高聚合物的热稳定性，但由于其含氮量低，并不能提高材料的阻燃等级，使用受到一定限制，常与其他含磷材料共用于磷氮协同阻燃。

6DNA

DNA由核苷酸聚合而成，是一种存在于所有生物体内的双螺杆结构大分子。每个核苷酸由含氮碱基、五碳糖和磷酸基3部分组成。在热分解过程中，磷酸基产生磷酸，可以作为酸源；五碳糖形成芳香结构，可以作为碳源，含氮碱基释放氨气，可以作为气源，故DNA是一种潜在的三源一体的膨胀型阻燃剂（IFR）。

阻燃微球制备过程图

DNA在较低温度（160~200℃）形成多孔隙、泡沫型、隔热的膨胀残留物，且会在持续的加热下转化为一种热稳定性极高的陶瓷类材料，比有机衍生的膨胀炭能够承受更长的火焰暴露时间。

已经开发的大规模制备方法使得DNA的可获取性与其他IFR材料具有竞争力；同时阻燃应用时所需纯度要求不高，从而可以进一步降低原料成本。由于DNA的耐洗涤性能较差，需通过与其他材料交联接枝来改善。

7蛋白质

蛋白质是由氨基酸以脱水缩合的方式组成的多肽链再经过盘曲折叠形成。棉织物在涂布酪蛋白或疏水蛋白后，会导致纤维素过早发生热分解，从而有利于炭的形成，避免由于酸性物质的释放而解聚，并进一步产生挥发物，防火性能得到改善。

乳清蛋白由于良好的阻氧性能和较大的水蒸气吸附性能，在燃烧时能阻碍氧气的扩散，同时吸收热量促进炭的形成，可应用于阻燃涂料。但目前蛋白质主要应用于纤维素基质阻燃，在塑料等其他方面的应用有所限制。

8其他生物基材料

还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广泛的应用。

如何进一步提高接枝改性技术，将氮、磷、硅等阻燃元素与生物基化合物有效结合，提高阻燃效果是生物基阻燃剂发展的重要途径。未来增强生物基阻燃剂与聚合物基体的相容性以及降低聚合物在加工过程中的热降解，改性生物基阻燃剂以提高复合材料的综合性能值得进一步探索。

此外，生物质精炼技术的不断发展，使许多生物基成分的提取成为可能，促进了生物基化合物的高价值新应用和生物基材料的生产，但这些生物基化合物的结构和组成多变，采用合理有效技术控制及克服天然原料的局限性，同时提高阻燃效率是生物基阻燃剂能够工业化应用的必要措施。