木质素基阻燃剂制备的研究进展

木质素基阻燃剂制备的研究进展作者：白毓黎白富栋张通

来源：《当代化工》2020年第10期

摘要：木质素是一种含碳量大且具有丰富官能团的天然高分子聚合物，近年来改性木质素结构应用于制备阻燃成炭剂、聚氨酯和酚醛树脂等高分子材料，因有效提升造纸工业和生物炼制废渣的应用价值而备受关注。通过木质素结构中的酚羟基和醇羟基等活性官能团引入阻燃元素，增加羟基含量和引入氨基结构等方法，可以提高木质素燃烧时的残炭量和热稳定性。在膨胀阻燃体系中改性木质素作为大分子阻燃成炭剂，具有较高的阻燃效率。概述了木质素不同提取方法和结构特点、改性木质素基阻燃成炭剂制备方法和研究进展，展望其未来在阻燃领域的应用和发展。

关键词：木质素;改性;成炭剂;膨胀型阻燃剂

中图分类号：TQ 314.261 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）10-2314-04

Abstract： Lignin is a kind of natural high polymer with large carbon content and rich functional groups. In recent years， lignin with modified structure has been used to prepare high molecular materials， such as flame retardant charring agents， polyurethane and phenolic resin. The lignin has attracted much attention due to its application value for pulping industry and bio-refining. The amount of carbon residue and thermal stability of the lignin can be improved by introducing flame retardant elements， increasing the content of hydroxyl and introducing amino structure through the active functional groups of phenol hydroxyl and alcohol hydroxyl. In the intumescent flame-retardant system， lignin as a macromolecular flame-retardant charring agent has high flame-retardant efficiency. In this paper， structural characteristics and different extraction methods of lignin were introduced， the preparation methods and research progress of lignin based flame retardant charring agents were summarized， and the future application and development were prospected.

Key words： Lignin; Modification; Charring agents

高分子材料具有质量轻、强度高、易于加工成型的优点，普遍应用于工业生产和日常生活中。大多数高分子材料如聚氨酯、聚丙烯、尼龙和聚乳酸等在空气中易燃烧，极限氧指数小于21，而且燃烧伴随着有毒有害的烟气产生，对人体健康造成二次伤害，在应用于电器、建材等行业有着不可忽视的安全隐患[1-2]。

膨胀型阻燃剂（IFR）是一种新型的绿色阻燃剂，由碳源、酸源和气源3部分组成。在燃烧时通过体系的协同作用在基体表面形成稳定的炭质泡沫层，具有隔热隔氧的作用[3]，是取代卤系阻燃剂的重要发展方向。传统的成炭剂为丰富的碳原子的多羟基低分子化合物，如季戊四醇等，在实际应用中出现与高分子基体相容性差和易吸水等缺陷。新型大分子成炭剂如聚氨酯、酚醛树脂等在阻燃体系中应用效果较好，可解决传统成炭剂应用中出现的问题。但目前大分子阻燃成炭剂制备多数来源于石油基化合物，随着石油资源的逐渐减少，石油化学品价格波动较大，寻求一种可再生绿色的生物基大分子阻燃成炭剂是目前国内外研究的方向。

生物基材料具有来源广、价格低廉、可循环和绿色环保等优点[4]。其中木质素是以苯丙烷为单元结构通过醚键或碳碳键相互连接的具有三维网状结构的天然高分子，具有较高的含碳量和丰富的活性官能团，并且比纤维素具有更高的能量密度。目前全球每年可生产6.0×1014 t 木质素，其中只有5%得到了有效的利用，大量的工业木质素被当作燃料，由于木质素废弃物为湿料和本身热值不高，所以木质素作为燃料的价值较低（每千吨低于50美元）[5-7]。因此对木质素改性转化为高价值化学品将会大幅度提高制浆工业的经济效益和生物炼制的整体竞争力[8]。

1 木质素的来源和提取

工业木质素主要为传统制浆造紙的黑液和新兴生物质炼制乙醇技术的副产品。目前全世界制浆造纸工业每年产生5 000多万吨的工业木质素，对其回收利用具有巨大的经济、环境和社会效益。纤维素乙醇技术因为绿色环保和原料来源广泛等优势成为国内外关注的焦点，但玉米秸秆蒸爆后连续酶解发酵制备乙醇的工艺过程中产生大量副产品（木质素质量分数65%），分离提纯废渣中的木质素改性制备成炭剂、酚醛树脂和聚氨酯材料，可以有效利用废弃物资源，降低生产成本。从木质纤维素中有效提取或分离具有高纯度和低浓缩结构的木质素，对于木质素的价值化至关重要，目前木质素主要提取方法见表1。

2 木质素改性制备成炭剂的应用

木质素的结构中含有丰富的羟基集团和苯环骨架，具备大分子阻燃成炭剂的结构要求，结构单元见图1。

虽然具有较高的含碳量，但热稳定性较差，无法满足高分子材料的加工过程，并且木质素由于其本身结构复杂多变和不同提取工艺分子量不确定性，在空气中残炭量较低，有许多研究直接将木质素作为成炭剂制备膨胀型阻燃剂，降低阻燃效率，增加阻燃剂的用量。因此通常需