Características de los retardantes de llama de base biológica

Los retardantes de llama ecológicos a los que comúnmente nos referimos hoy en día se refieren a productos que producen poco humo y baja toxicidad durante su uso. Incluyendo retardantes de llama a base de bromo representados por decabromodifeniletano, resina epoxi bromada y poliestireno bromado; retardantes de llama a base de fósforo representados por ésteres de fósforo rojo y fosfato de melamina y ácido cianúrico de melamina representados por retardantes de llama inorgánicos representados por aluminio; hidróxido e hidróxido de magnesio.

Muchos estudiosos creen que los retardantes de llama verdes son diferentes de los retardantes de llama ecológicos comunes. Los retardantes de llama verdes son productos ecológicos con materias primas respetuosas con el medio ambiente, procesos de producción respetuosos con el medio ambiente y reciclaje respetuoso con el medio ambiente. Con el desarrollo de la ciencia de los materiales de origen biológico, cada vez más académicos eligen las materias primas para los retardantes de llama en el campo de los materiales de origen biológico.

La razón por la que los materiales de base biológica pueden convertirse en materia prima para retardantes de llama es que muchos materiales de base biológica tienen un alto contenido de carbono y una estructura de polihidroxilo, y tienen excelentes propiedades de formación de carbono, como la lignina (Lig ), Almidón (ST), celulosa, quitosano (CS), ciclodextrina, etc.

El rendimiento de formación de carbón es el mecanismo de acción más importante de los retardantes de llama intumescentes. El efecto retardante de llama de los retardantes de llama intumescentes se basa principalmente en la formación de una capa de coque de espuma porosa en la superficie del material, que. Es una combinación de sistema sólido, líquido y multifásico de productos gaseosos.

El rendimiento ignífugo de la capa de carbono se refleja principalmente en: dificultar la penetración del calor en la fase condensada, evitar que el oxígeno entre en la zona de combustión y evitar que se produzcan productos gaseosos o líquidos por degradación. desbordando a la superficie del material.

El proceso de formación de la capa de carbono es el siguiente: a aproximadamente 150°C, la fuente de ácido puede esterificar los polioles y puede usarse como agente deshidratante ácido a una temperatura ligeramente superior, el ácido y el carbono; la fuente se somete a una reacción de esterificación. El grupo amino en el sistema se utiliza como catalizador para la reacción de esterificación para acelerar la reacción, el sistema genera gas no inflamable durante la reacción de esterificación y el proceso de reacción antes de la esterificación se funde, causando que el sistema se funda. ha estado en estado fundido para expandirse y formar espuma. Al mismo tiempo, es multifuncional. El alcohol y el éster se deshidratan y carbonizan para formar materia inorgánica y carbono residual, lo que hace que el sistema forme aún más espuma cuando la reacción está casi completa. , el sistema gelifica y solidifica, y finalmente forma una capa de espuma de carbono porosa.

Lignina

La lignina es un polímero aromático amorfo ampliamente presente en las plantas. Una vez que se descompone la estructura aromática de la lignina, la tasa de residuos de carbono es muy alta. Existe en las paredes celulares de las plantas y forma el esqueleto básico de las plantas junto con la celulosa y la hemicelulosa. Es un compuesto polihidroxi aromático que puede cumplir los requisitos como fuente de carbono para los retardantes de llama intumescentes. Durante el proceso de combustión de la lignina, los enlaces antiguos se romperán y se formarán nuevos enlaces. El proceso de pirólisis se puede dividir aproximadamente en las siguientes tres etapas.

La primera etapa es la volatilización del agua libre;

La segunda etapa comienza aproximadamente a 120 ℃, los enlaces de valencia débiles alrededor del anillo de benceno se rompen y los componentes volátiles se reorganizan.

La tercera etapa ocurre cuando la temperatura alcanza los 800°C. El anillo de benceno se rompe, se volatiliza y se polimeriza en compuestos aromáticos polinucleares. A medida que la temperatura aumenta aún más, los nuevos compuestos aromáticos se someten a procesos de condensación y carbonización. . Proceso de condensación y carbonización de la lignina Esto muestra que la lignina tiene una fuerte capacidad de carbonización a altas temperaturas y difícilmente se carbonizará en la combustión ordinaria.

Sin embargo, su estructura contiene una variedad de grupos funcionales, como metoxi, hidroxilo alcohólico, hidroxilo fenólico, benceno, aldehído, carbonilo, etc., lo que proporciona abundantes sitios activos para una mayor modificación química, lo cual es beneficioso. para mejorar sus propiedades retardantes de llama. La combinación de lignina con otros retardantes de llama, como hidróxidos metálicos y compuestos a base de fósforo, puede mejorar aún más el efecto retardante de llama.

Almidón

El almidón se polimeriza a partir de moléculas de glucosa y se almacena en las células en forma de gránulos de almidón. El almidón es una sustancia polihidroxilada que se reticula durante la combustión para formar carbón vegetal. Es biodegradable, renovable y de bajo costo, y se considera un material sostenible prometedor.

La degradación térmica se puede dividir aproximadamente en las siguientes tres etapas:

(1) La deshidratación física ocurre principalmente cuando la temperatura alcanza aproximadamente 150 ℃, el agua cristalina del almidón desaparece por completo;

(2) El almidón sufre descomposición térmica y deshidratación química a aproximadamente 300°C. Por un lado, los grupos hidroxilo sufren una reacción de condensación para formar enlaces éter y se deshidratan los grupos hidroxilo adyacentes en la glucosa. El anillo también se someterá a deshidratación química para generar ácido carbonilcarboxílico (CCA). Por otro lado, los grupos hidroxilo adyacentes en el anillo de glucosa también sufrirán reacciones de deshidratación química para formar dobles enlaces carbono-carbono o anillos rotos. A medida que la temperatura continúa aumentando, las cadenas moleculares se rompen, formando una variedad de estructuras aromáticas; /p>

( 3) La reacción de carbonización ocurre a 500°C, formando un gran anillo aromático. Puede utilizarse como fuente de carbono en sistemas de ácido poliláctico retardantes de llama y libera dióxido de carbono y monóxido de carbono cuando se quema.

Cuando se combina con una fuente de ácido, la fuente de ácido puede promover la deshidratación y carbonización del almidón, y la capa de carbono formada puede inhibir el escape de gases combustibles y el intercambio de calor y oxígeno.

El uso de almidón de patata renovable y de bajo precio como agente carbonizante de base biológica para preparar retardantes de llama de base biológica altamente eficientes no solo promueve el desarrollo de retardantes de llama verdes, sino que también reduce en gran medida el costo de los retardantes de llama. Tiene un alto valor práctico.

Celulosa

La celulosa es un componente de la pared celular. En pocas palabras, la celulosa es una macromolécula lineal compuesta de moléculas de glucosa conectadas por enlaces β-1,4-glucosídicos, la fórmula molecular es. (C6H10O5)n (donde n es el grado de polimerización). Está ampliamente distribuido en la naturaleza y existe principalmente en las paredes celulares de plantas superiores y bacterias, algas y hongos.

El proceso de degradación térmica de la celulosa se puede dividir a grandes rasgos en las siguientes cuatro etapas:

La primera etapa de deshidratación física ocurre a baja temperatura y elimina el agua cristalina de la celulosa

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La segunda etapa de la deshidratación química ocurre alrededor de 150°C, generando agua y celulosa deshidratada. La generación de agua favorece la aceleración de la hidrólisis de los enlaces glicosídicos y promueve la degradación de la celulosa. la temperatura aumenta;

En la tercera etapa, las reacciones de descomposición térmica y carbonización comienzan a 240 °C, generando alquitrán líquido y productos intermedios de carbono, mientras que la celulosa deshidratada reacciona aún más para generar monóxido de carbono, dióxido de carbono y dióxido de carbono. vapor de agua;

La cuarta etapa ocurre a temperaturas superiores a 400°C donde se produce la aromatización y la reticulación del carbono, formando escoria de coque.

Cabe señalar que las reacciones a alta temperatura tienden a producir alquitrán e inhibir la formación de coque. Sin embargo, las ricas tecnologías de modificación son beneficiosas para mejorar las propiedades retardantes de llama de la celulosa a altas temperaturas. La estructura polihidroxilo de la celulosa hace que la modificación química sea una forma eficaz de mejorar el retardo de llama. La fosforilación de la celulosa es uno de los métodos de modificación más estudiados y la esterificación es la reacción más utilizada y más sencilla.

Chitosán

El quitosano (CS) se prepara mediante la desacetilación de la quitina y tiene las ventajas de reproducibilidad y biocompatibilidad. CS es un aminopolisacárido natural cargado positivamente que se puede utilizar directamente como agente formador de carbón para materiales compuestos de ácido poliláctico retardantes de llama. Experimenta una reacción de apertura de anillo a altas temperaturas y se autoagrega en la matriz para formar un anillo aromático. estructura reticulada, es decir, en Se forma una capa de carbono en la capa de coacervado y se forma una capa de carbono en la fase cohesiva. Esto ayuda a suprimir el intercambio de calor en la matriz.

Al mismo tiempo, el grupo amino del CS se libera a la fase gaseosa en forma de NH3 durante el proceso de descomposición térmica, por un lado, puede diluir la concentración de gas combustible, y por otro. por otro lado, promueve la formación de una capa de carbono expandido. La proporción de la capa de carbono expandido. La capa de carbono ordinaria tiene un mejor efecto protector sobre la matriz. Normalmente, el CS se combina con una fuente de ácido (como APP) para formar un sistema retardante de llama intumescente, y los productos producidos durante la descomposición térmica de la fuente de ácido pueden promover la deshidratación y carbonización del quitosano. Además, debido a la gran cantidad de grupos reactivos presentes en la estructura del quitosano, también se puede modificar para optimizar sus propiedades retardantes de llama.

Ciclodextrina

La ciclodextrina (CD) es un oligosacárido cíclico formado bajo la acción de la amilasa. Contiene una gran cantidad de estructuras hidroxilo. Su proceso de carbonización incluye la apertura del anillo y luego la celulosa. Se produce una evolución química similar a la de la glucosa, con la desaparición de la estructura de la glucosa y los grupos hidroxilo y la formación de estructuras carbonilo, aromáticas y otras.

Las CD comunes se dividen principalmente en tres categorías: α-CD, β-CD y γ-CD. El β-CD se usa ampliamente en ácido poliláctico (PLA) retardante de llama, polipropileno (PP) y otros polímeros debido a su excelente carbonización, estabilidad térmica y bajo costo.

La primera etapa es la deshidratación física a una temperatura de aproximadamente 40 ℃ para eliminar el agua cristalina en β-CD

La segunda etapa es la descomposición térmica a una temperatura de 260 ℃; reacciona con la carbonización para producir dióxido de carbono gaseoso y carbono residual;

En la tercera etapa, cuando la temperatura alcanza los 400 °C, el carbono residual sufrirá una lenta degradación térmica.

Además de la estructura de polihidroxilo que se puede utilizar para la carbonización, la β-CD también contiene grupos hidroxilo primarios y secundarios más activos, que pueden mejorar sus propiedades retardantes de llama mediante esterificación, reticulación y modificación química.

La CD tiene una estructura de cavidad con un borde exterior hidrófilo y una cavidad interior hidrófoba, que puede formar complejos de inclusión con varias moléculas, proporcionando más espacio para la modificación.

Después de la degradación térmica del CD, se formará una gran cantidad de residuo carbonoso, que puede usarse como fuente de carbono en el sistema retardante de llama intumescente, o como agente de inclusión de compuesto de fósforo para mejorar su baja unión. efecto.

Los retardantes de llama de origen biológico son una nueva categoría y muchas materias primas de origen biológico se utilizaban originalmente en productos farmacéuticos y alimentos sin grados químicos especializados.

Muchos materiales o productos químicos de origen biológico, cuando se procesan adecuadamente, pueden tener propiedades que sirven como retardantes de llama. Aunque los retardantes de llama de base biológica todavía se encuentran en la etapa de investigación y desarrollo de laboratorio, con la investigación y el desarrollo de materias primas de base biológica en el campo auxiliar, seguramente se desarrollarán materias primas retardantes de llama de base biológica que puedan usarse en la producción industrial. en el futuro.