回顾一些选定的生物(绿色)阻燃剂

文摘

生物阻燃剂在阻燃剂配方的世界上。可持续的无卤阻燃剂是派生的各种工业应用。然而,科学界产生了重大biobased添加剂对聚合物来自可再生资源。具有挑战性的观点是利用生物资源的化学结构来解释其具体机制阻滞。生物阻燃剂延缓火焰形成识字课。形成的字符作为散热器、防止热传递大量的材料。研究表明,有一个有限的科学工作在这个问题上发表。

关键字

生物、阻燃剂、生物量、热重量

介绍

阻燃剂已被用于许多消费品和工业产品自1970年代以来,以减少材料的点燃或作为屏障(散热器)燃烧的材料1]。事实是,都花费了大量的精力在这些年内合成阻燃剂。一个伟大的部分商用阻燃剂是成油有机化合物(如organo-halogenated, organo-phosphorous, organo-nitrogen化合物)。作为石油产品的一部分,他们面临同样的问题:越来越稀缺的石油地缘政治问题,对全球变暖的影响。此外,这些化合物(特别是卤代化合物)收到了负面新闻,因为他们怀疑引发特定的卫生和环境问题。前景提出更多的生态友好的材料,有必要进一步的应用程序定义的绿色化学原则Anastas和华纳(2),从而促进生物添加剂对聚合物的发展3]。然而,在最近时期科学界产生了大量的论文致力于阻燃剂的发展来自可再生资源。一些卤代化合物的禁令和寻找替代解决方案一直是一个重要的驱动力等的发展新的生物添加剂。但另一个具有挑战性的洞察力也利用特定的物种基因促进和强调特定的化学结构阻燃机制(3]。

生物阻燃剂

生物阻燃剂一般指化合物可以获得或来源于生物质是指地球上的生物物质,可以发现(3,4]。它包括植物、动物和微生物。除了细菌,整个陆地上的生物量占约5600亿吨的碳。概述生物量的组成是由Vassilev et al (4]。他们他们的分析基于生物量的一般分类组,群体,品种,和物种。他们能够找出最重要的元素,当安排顺序递减;碳、氢、氮、钙、硅、镁、铝、硫、铁、磷、氯、钠、锰和钛。从研究中,值得注意的是,其中的一些元素的阻燃能力。可以使用这些生物分子或转化为衍生品等的化学或生物治疗。因此,生物积木可以获得,进一步修改阻燃功能所示图1在下面。

碳水化合物

他们是生物分子含有碳,氢和氧的原子。阻燃剂发展更受到关注的化合物可能是多糖,尤其是淀粉、纤维素和壳聚糖(5]。

淀粉:这是一种聚合物合成的植物能量存储[5]。淀粉可以被水解成更简单的碳水化合物也被称为糊精酸或酶。例如,环糊精是阻燃体系的一个组成部分,它通过降解的淀粉芽孢杆菌amylobacter细菌。山梨糖醇也可以用于阻燃剂配方。发酵葡萄糖和葡萄的股票分别生成了衣康和酒石酸。这两种有机酸被用作阻燃剂发展的原材料(6]。淀粉在惰性气氛下的热重曲线突出了两个主要的重量损失所示图2在下面。第一减肥发生在较低的温度高达110°C对应蒸发/物理脱水现象。事实上,淀粉是一种高吸湿材料(6]。第二质量损失与化学脱水和热分解的淀粉和从300°C。淀粉的热分解给15 - 20 wt %残留在高温下。

纤维素:纤维素是由葡萄糖单位组成的线性均聚物与β1 - 4糖苷键(7]。纤维素的热分解发生在300和400°C之间一个主要步骤,观察到的高质量损失率约370°C。低于300°C的纤维素发生脱水反应,产生一个小的质量损失。在高温下(800°C),一个稳定的字符代表15 wt %的初始质量是观察。这个残留木质素的结构类似于char。应该说,纤维素的降解途径可能被修改根据加热条件和其他组件在周围的存在。因此低升温速率、脱水反应是青睐和char收益率提高8]。

壳聚糖:这是一个无规共聚物D-glucosamine和N-acetyl-D-glucosamine保税β1 - 4连杆(9]。这是通过化学或酶的甲壳素脱乙酰作用的主要成分是虾壳(或其他甲壳类动物)。在惰性气氛下,热降解的壳聚糖发生在三个步骤。低于140°C,第一减肥对应的释放水松散保税(10]。第二和退化的主要一步发生250°C和350°C之间分配,进一步脱水,壳聚糖的脱乙酰作用,解聚作用。高于400°C,低质量损失率归因于残留分解反应是观察。在500°C, char高达40 wt %。如图所示,Moussout [11),这个字符是低得多(大约20 wt %)空气气氛下发生退化。通过比较甲壳素和壳聚糖,这些作者还证明,脱乙酰作用程度修改吸湿特性和碳水化合物的热稳定性。

海藻酸盐:这些指的是海藻酸和海藻酸本身的衍生品12]。这些碳水化合物存在于褐藻细胞壁的钙、镁和海藻酸钠盐。海藻酸的共聚物mannuronic酸和古罗糖醛酸,重复单位被b 1 - 4连杆保税。co-monomers是确定的比例和分布参数解释聚合物的物理和化学性质。因此,海藻酸盐可以被视为一个阴离子多糖。海藻酸和海藻酸钠的热行为研究了苏亚雷斯(13]。在氮、退化的两个主要步骤(突出显示图2)。在低温海藻酸盐表现出一个脱水的过程。的水分被发现更高的海藻酸钠(15 wt %)比海藻酸(10 wt %)。主要的分解步骤发生在150°C和300°C之间。在海藻酸的情况下,它会导致的碳质残留物被发现21和wt % 26日在800°C之间根据作者(14,15]。在海藻酸钠,苏亚雷斯等人获得了22 wt %残留,主要包括碳酸钠。

酚类化合物

天然多酚类物质是一类有机分子中发现的植物和以酚醛单元轴承的存在一个或多个羟基高分子量复杂结构有关。他们通过shikimate源于植物的次生代谢途径(16]。分子引起了研究人员的兴趣作为阻燃剂的原材料主要是属于简单的间苯三酚等酚类或丁香酚和聚合结构(丹宁酸和木质素)。

单宁:这些酚类生物分子可以在不同的植物部分(树皮,叶,根,叶,果实。的热降解单宁从松树皮中提取研究Gaugler和格雷斯比17]。突出显示,分解发生在广泛的温度(180 oc - 800 oc)和依赖的模式提取和净化的程度。不管这个过程中,大量的字符形成高温(> 30 wt %)。最大的残炭(48 wt %)获得了经过超滤的单宁和纯儿茶素的很相似。

木质素:木质素是一种交联苯酚的聚合物从植物细胞壁。这是第三个最丰富的纤维素和半纤维素后有机材料。研究了木质素作为各种阻燃聚合物和代表了一个有趣的机会,创造更多的环保和安全的塑料和树脂18]。他们扮演着重要的角色在细胞壁的机械性能在防止分解刚度和防水性。在化学的角度来看,木质素可以被视为monolignols的聚合物。综述了木质素的热解Brebu和瓦西19]。生物量与其他组件相比,木质素降解在广泛的温度在200°C和500°C (图3)。

蛋白质化合物

这些都是线性生物聚合物中发现活细胞(20.]。已知的磷蛋白质的例子是酪蛋白(蛋白质的牛奶)和phosvitin(鸡蛋的蛋白质)。氨基酸残基改性的磷酸基通常丝氨酸,苏氨酸和酪氨酸(图4)。

Caesein:这是一个家庭相关的磷蛋白质(21]。

蛋壳:蛋壳粉的阻燃特性可以归因于其碳酸钙含量等因素。

蛋壳包含CaCO₃应用热/火焰分解根据方程:

公司的演变₂它不支持燃烧。填充物是纳入聚酯,CaCO的数量越多₃复合和更少的复合燃烧有限公司以来的趋势₂是一个很好的灭火器(22]。

脂质

脂类是一组自然形成的分子,一个的功能是作为阻燃添加剂(23]。热稳定性和脂质分解机制取决于他们的本性(24]。然而,分析一些植物油(大豆、蓖麻油、荷荷巴油)表明,分解发生在300 - 550°C的范围和没有残留在高温(25- - - - - -27]。由于各种官能团的存在(羧酸、羟基、双键),可以获得各种各样的反应。因此,一些脂类衍生品cardanol或十一碳烯酸被用来准备含磷单体,可以作为反应型阻燃剂,主要在热固性聚合物(28]。

机制与生物化合物阻燃性

阻燃剂的作用模式分类根据机制是否物理或化学作用,并根据阶段这些机制发生(浓缩或气相)29日- - - - - -34]。所有生物的阻燃剂系统阻止火焰的物理动作,基本上由所谓的炭化效应(35- - - - - -37]。char形成有助于创建一个散热器表面的样本。这个散热器阻止了热量的传递大量的材料(38- - - - - -40]。烧焦的效果可以改善如果扩大层是由被称为肿大的现象41]。

结论

现在回顾探讨一些选定的生物阻燃剂,提取工艺,阻滞机制。生物环保阻燃剂,廉价和可用。生物高分子材料阻燃剂的加入有助于降低可燃性属性。他们也作为热障,限制燃料或火焰,因此保护复合表面对热量和空气。

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