摘要：图1展示了改性EPS颗粒的制备流程。首先，将1.21 g三羟甲基氨基甲烷（Tris）溶于1000 mL去离子水中，并用HCl滴定以配制pH = 8.5的Tris-HCl缓冲溶液。随后，使用该缓冲溶液（10 mM，pH 8.5）配制4 mg/mL的多巴胺（Da）
图1展示了改性EPS颗粒的制备流程。首先，将1.21 g三羟甲基氨基甲烷（Tris）溶于1000 mL去离子水中，并用HCl滴定以配制pH = 8.5的Tris-HCl缓冲溶液。随后，使用该缓冲溶液（10 mM，pH 8.5）配制4 mg/mL的多巴胺（Da）溶液。将未改性的EPS颗粒置于Da溶液中持续搅拌24 h，随后用蒸馏水反复冲洗至溶液无色，并于40 °C烘箱中干燥，最终得到聚多巴胺（PDA）包覆的改性EPS颗粒，记为PDA@EPS。
首先，将10 g壳聚糖（CS）粉末加入盛有1000 mL去离子水的烧杯中，搅拌3 min以分散粉末，随后加入10 mL（1%）乙酸并持续搅拌24 h，得到1%（w/v）的CS溶液，记为1% CS。按照相同方法配制2%和3% CS溶液。随后，将PDA@EPS颗粒分别置于1%、2%和3% CS溶液中搅拌3 h，捞出并干燥，得到1CS-PDA@EPS、2CS-PDA@EPS和3CS-PDA@EPS颗粒。
首先，称取28.57 g植酸（PA，70%）溶液转移至含1000 mL去离子水的烧杯中，搅拌1 h以配制浓度为2%（w/v）的PA溶液。用特定浓度NaOH溶液调节PA溶液pH至中性（pH=6），搅拌后得到2%（w/v）的PA钠溶液，记为2% PA。采用类似方法配制6%和10% PA溶液。随后，将CS-PDA@EPS颗粒分别置于不同浓度的PA溶液中搅拌3 h，捞出并干燥。根据PA溶液浓度，将改性颗粒分别记为2PA/3CS-PDA@EPS、6PA/3CS-PDA@EPS和10PA/3CS-PDA@EPS。
Preparation of Hydrophilic and Fire-Resistant Phytic Acid/Chitosan/Polydopamine-Coated Expanded Polystyrene Particles by Using Coating Method
Tang, Wenjie; Huang, Dajian; Qiang, Xiaohu; Wang, Liu. Coatings; Basel Vol. 14, Iss. 5, (2024): 574. DOI:10.3390/coatings14050574
翻译
随着全球能源消耗的持续增长，节能减排已成为重要议题。研究表明，建筑能耗占总能耗的32%，其中建筑外墙的热能消耗占建筑整体能耗的显著比例。为解决这一问题，可在施工过程中通过向基体材料中添加发泡剂[3,4]或轻质骨料[4,5]，制备轻质建筑材料，从而提升墙体结构的隔热能力，降低建筑能耗。
发泡聚苯乙烯（EPS）颗粒因其低密度、低导热性和经济性，被广泛用作轻质建筑材料的隔热填料[7–9]。然而，EPS作为一种多孔聚烯烃材料，其主链富含碳氢化合物、侧链含大量芳香环，且蜂窝状结构内空气流通性高，导致其极易燃烧[10,11]。此外，EPS的疏水性使其颗粒在浆体中上浮且分散不均，无机材料的水化产物也难以渗透，导致EPS颗粒与基体材料界面结合性差，成为轻质建筑材料体系中的薄弱环节，影响其综合性能[9,12]。因此，在轻质建筑材料的生产中，需对EPS进行有效改性以提升其亲水性与阻燃性。
在EPS的聚合或浸渍过程中添加阻燃剂，是赋予EPS阻燃性能的有效途径。然而，这些方法对阻燃剂的粒径限制较大，且存在未聚合单体残留、浸渍效率低等问题[13,14]。将具有阻燃性能的凝胶[15,16]、气凝胶、水凝胶、泡沫、薄膜及胶凝材料附着于聚合物表面，可显著提升聚合物的阻燃性。其中，涂层法通过将黏结剂与阻燃剂共同包覆于EPS颗粒表面，是一种高效的阻燃改性方法[22,23]。
例如，Cao等以三聚氰胺改性脲醛树脂（MUF）为黏结剂，采用封装法将硝酸铝改性多壁碳纳米管（ATH-MWNTs）和可膨胀石墨（EG）用于EPS阻燃改性。当添加14.3 wt% EG和4.1 wt% ATH-MWNTs时，改性EPS泡沫的极限氧指数（LOI）达30.3%，UL-94等级为V-0，热释放速率峰值（pHRR）从933 kW/m²降至177 kW/m²。
Wang等则以热固性酚醛树脂（PF）为黏结剂，利用粉煤灰（FA）的高SiO₂含量与ATH协同作用，开发了低成本EPS阻燃体系。当EPS/PF/ATH/FA比例为50:50:35:15时，EPS-PF/ATH35/FA15样品的LOI提升至29.6%，并达到UL-94 V-0等级。
然而，涂层法常用的黏结剂（如酚醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂等热固性树脂）通常含甲醛，对人体健康有害。因此，亟需选择环保、无毒且兼具阻燃性的黏结剂。
卤系阻燃剂因燃烧释放有毒物质危害健康与环境，正逐步被替代[27,28]。磷系阻燃剂（如红磷、次磷酸铝、聚磷酸铵、磷酸二氢铵）作为高效低毒的无卤阻燃剂，已用于EPS阻燃改性[29,30]。其作用机制包括：（1）作为固相阻燃剂，促进含氧聚合物成炭；（2）作为气相阻燃剂，生成活性自由基捕获H·和OH·[29,35]。氮系阻燃剂（如双氰胺、胍盐、三聚氰胺及其盐）则通过分解释放惰性气体（N₂、NH₃及水蒸气）实现气相阻燃。然而，氮系阻燃剂效率较低，常需与磷系阻燃剂联用[39–41]。例如，Ji等以淀粉、磷酸和尿素为原料合成磷酸淀粉氨基甲酸酯（APSC），当APSC含量达47 wt%时，改性EPS泡沫的LOI升至35.2%，UL-94达V-0级，且pHRR和总烟释放量（TSP）显著降低。但此类阻燃剂不可再生、难降解，并具有一定生物毒性。
生物基阻燃剂（如壳聚糖（CS）[45,46]、植酸（PA）[47,48]、海藻酸盐[49,50]、聚多巴胺（PDA）[51,52]）因其可再生、环境友好且无毒的特性，在聚合物复合材料中备受关注。其中，仿贻贝黏附的PDA可通过自发沉积包覆于材料表面，其邻苯二酚基团在有机-无机界面提供优异黏附力[53–58]，适合作为黏结剂使用。植酸（PA）是谷物、坚果和油籽中经酸解、热处理或酶解提取的肌醇六磷酸酯[59–62]，含28 wt%磷元素及六个磷酸基团，在膨胀型阻燃（IFR）体系中可充当酸源，燃烧时生成磷酸盐[63,64]。
这促进了富磷炭层的形成，并通过分解挥发性磷化物捕获自由基，抑制聚合物燃烧。此外，植酸（PA）因其六个磷酸基团携带的高负电荷（pKa 1.9~9.5），可与带正电的聚合物及金属离子形成络合物。
壳聚糖（CS）是一种无毒、高产且环境友好的线性氨基多糖，通过酸处理脱钙和碱处理部分脱乙酰化，从甲壳类动物（如虾、蟹、贝壳）的甲壳素中提取[66,67]。其结构由β(1-4)连接的D-葡萄糖胺及少量N-乙酰-β-D-葡萄糖胺组成[68,69]。
CS作为富碳氨基多糖，在热分解时释放氨气并形成残碳，可作为炭源和气源。PA与CS可构建膨胀型阻燃（IFR）体系，展现磷-氮协同阻燃效应。在低pH（pKa 6~6.5）下，CS带正电荷，通过带负电的PA与带正电的CS间的强离子相互作用实现复合沉积。
例如，Cheng等采用层层自组装法将PA、生物炭（BC）和CS引入棉织物，结果显示：PA/CS/BC（7.5%）处理的棉织物热释放速率峰值（pHRR）降低88.66%，总热释放量（THR）降低88.69%，极限氧指数（LOI）高达64.1%，且水洗后仍保留约60%的阻燃性能。Fang等通过层层自组装法制备PA/CS涂层的涤棉混纺织物，当PA/CS涂层达20层时，LOI提升至29.6%。此外，PA与CS中的磷酸基、羟基及氨基可增强EPS的亲水性[74,75]。因此，利用PA/CS生物基阻燃剂改性EPS颗粒可同时赋予其亲水性与阻燃性，但目前尚未见生物基PA/CS涂层改善EPS颗粒阻燃性与亲水性的报道。
当前，发泡聚苯乙烯（EPS）的阻燃改性主要集中于EPS泡沫保温板，针对EPS颗粒的研究相对较少。而在轻质建筑材料领域，EPS通常以颗粒形式作为轻质骨料使用。因此，对EPS颗粒的改性研究具有必要性。本研究提出一种通过PA/CS生物基涂层同步提升EPS颗粒阻燃性与亲水性的简易策略：以聚多巴胺（PDA）为黏结剂，在PDA@EPS颗粒表面构建PA/CS膨胀型阻燃（IFR）体系，通过简单涂覆法制备PA/CS-PDA@EPS颗粒。通过相关表征探究改性涂层对EPS颗粒结构、亲水性、热稳定性及阻燃性的影响。所得改性EPS颗粒兼具亲水与阻燃特性，为其在轻质建筑材料中的应用提供参考价值。
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来源：迪新材料科普南乔
