文献综述
1.绪论
1.1 聚合物阻燃的必要性
由于大量使用织物、聚合物材料和木材等可燃材料，火灾风险在日常生活中一直存在[1]。自20世纪后期以来，越来越多地使用烟雾报警器、洒水器和紧急出口计划等预防或阻止火灾的消防系统，使火灾死亡人数显著减少[2]。即使有了这些改善，但每年发生火灾所造成的损失约占我国国内生产总值(GDP)的1%，并造成数千人死亡[3]，因此预防火灾仍然是一个严峻的挑战。
在现代社会中，聚合物材料在建筑、交通、电子、包装、工业机械、航空航天等各个领域的应用越来越广泛。这些材料主要由碳元素和氢元素构成，在高温下易燃烧[4]，增加使用会增加火灾的风险。此外，聚合物在燃烧的过程中易分解产生有毒气体，极大地危害人们身体健康。因此，添加有效阻燃剂(Flame Retardants)不仅能够保障人民群众生命安全和身体健康，还有助于降低火灾事故的风险和财产损失[5-6]。
1.2 阻燃剂研究与应用现状
随着环境污染的恶化和石油能源的减少，可降解型高分子材料越来越受到人们的重视[7]。聚乳酸(PLA)是目前应用最为广泛的生物基可降解材料，因其优异的生物相容性、机械性能、高透明度与可降解性，从而广泛应用在生物医疗、家居、服装等领域[8]。然而，聚乳酸在高温下容易分解，易燃烧且会发生滴落现象，并威胁其他可燃物体，因此目前对聚乳酸的阻燃性能的要求越来越高[9]。
一些基于卤素的阻燃剂在过去被广泛使用，其阻燃机理为气相阻燃。在高温燃烧时，通过生成的卤化氢捕捉聚合物在燃烧过程中气相火焰区的高活性自由基，形成低活性的卤化自由基，降低燃烧过程中反应剧烈程度，从而实现阻燃效果[10]。但是卤素阻燃剂在燃烧过程中生成大量具有毒性、腐蚀性的气体。因此时至今日，卤素阻燃剂已被禁止使用。
基于磷元素的新型阻燃剂被视为卤素阻燃剂的替代品，其在各种聚合物材料中的应用已被广泛探索。磷基阻燃剂的阻燃机理包括气相阻燃与凝聚相阻燃两种。气相阻燃机理与卤素阻燃剂相似，而凝聚相阻燃机理是指磷基阻燃剂在燃烧过程中分解生成磷酸液态膜，磷酸脱水形成偏磷酸，并进一步聚合形成聚偏磷酸，从而有效降低聚合物材料的热传导性[11]。磷基阻燃剂对PLA阻燃效果较好，但其在制备过程中存在环境污染等问题，且存在添加含量较高时，导致材料机械性能下降的缺点，这些缺点均限制了磷基阻燃剂在PLA中的进一步发展与应用。
氮基阻燃剂是指含氮元素的阻燃剂，其阻燃机理为气相阻燃，具体为其燃烧过程中分解产生二氧化碳、水蒸气、氮氧化物等惰性气体，有效阻隔聚合物材料与氧气的接触面积。并且氮基阻燃剂在分解过程中有效吸收聚合物材料的热量，降低聚合物材料的温度。在上述两方面的共同作用下实现对聚合物材料的阻燃效果。
但在实际阻燃改性的过程中，单独使用磷基阻燃剂与氮基阻燃剂的阻燃效率都较低，可利用复合阻燃剂的协效作用实现高效阻燃。其中由磷、氮、碳元素协效阻燃体系最为常用，即为膨胀型阻燃剂，其以高效阻燃、低毒、无滴落现象等优点而受到广泛关注[12]。
膨胀型阻燃剂包括三个部分：酸源、气源、碳源[13]。酸源通常由酸性物质组成，受热形成的酸盐能够起到脱水或者促进碳化的作用，常见的酸源有磷酸、磷酸铵、五氧化二磷、硼酸、硼酸盐等物质。气源即阻燃剂在燃烧分解的过程中产生惰性气体，常见的物质有铵类、酰胺类含氮物质，如双氰胺、三聚氰胺、尿素、脲醛树脂等。碳源，即成炭剂，在燃烧过程中形成泡沫碳化层，主要是富含碳元素的多羟基化合物，常见的物质为天然高分子，如木质素、壳聚糖、纤维素、淀粉、环糊精等。
目前，膨胀型阻燃剂的阻燃机理尚在研究阶段，其中凝聚相阻燃和气相阻燃两种阻燃机理受到广泛认可。在聚合物材料的热分解过程中，气相阻燃机理和凝聚相阻燃机理同时产生[14]。
