科學家正在利用植物製造更安全的阻燃劑

生活科學趣談

植物性阻燃劑誕生,可望成更安全的選擇 – 科學月刊發布於2019年10月1日

印尼占碑省上個月出現不尋常的紅色天空,這是森林火災產生的大量煙霾所導致,鄰近占碑省的廖内省並已宣布進入緊急狀態直至10月31日。霾害也擴散至鄰近的東南亞國家,其中北方的馬來西亞在9月19日就有超過2400間學校的173萬名學生被迫停課

去年11月美國的 營溪火災 則是加州有紀錄以來死亡人數最多的野火,火勢在17天後才被撲滅;南加州在上週亦再度發生野火

上則影片1’58″處由一架波音747所噴灑的紅色液體即為阻燃劑,其中的紅色物質有助於機組人員與消防人員瞄準欲釋放的區域

該阻燃劑的主成分為磷酸一氫銨 (NH4)2HPO4、磷酸二氫銨 NH4H2PO4,其中的磷酸一氫銨受熱放出氨氣而形成磷酸二氫銨

磷酸二氫銨在燃燒火焰中則是先吸熱分解出磷酸和氨,隨後進行3個步驟而最終生成P2O5

(1) 2NH4H2PO4 → 2H3PO4 + 2NH3
(2) 2H3PO4 → H4P2O7 + H2O
(3) H4P2O7  → 2HPO3 + H2O
(4) 2HPO3  → P2O5 + H2O

因此隨著繼續受熱,阻燃材料會分解並持續釋放出水蒸氣來冷卻火焰。上方影片中的阻燃劑在配方中也加入了黃原膠來當增稠劑,除了能有效將阻燃劑覆蓋在可燃物表面,增稠劑受熱後也會炭化成類似石墨的難燃碳塗層(燃點850~1000℃),因而能隔離空氣,從而有效防止火焰的蔓延

至於這個 Phos-Chek 阻燃劑,根據官網資料,殘餘的粉末雖然無法被細菌降解,但是藉由雨水淋溶後,可提供當作植物所需氮和磷的農業肥料來源。紅色顏料則包含可被光分解而消失顏色的光敏染料以及氧化鐵,所以下列這輛汽車若是不管它,最後就會變成鐵鏽色

回來看科月的這篇文章,其中的 沒食子酸(gallic acid)、蕎麥中的3,5-二羥基苯甲酸(3,5- Dihydroxybenzoic acid),它們都是含有 酚環 的有機酸。文中這句「透過三氯氧磷(phosphoryl chloride)的轉換」更精準的描述應該是「與三氯氧磷反應」,因為這可以合成阻燃劑”三芳基磷酸酯”。亦即 酚 + 三氯氧磷 → 三芳基磷酸酯(磷酸三苯酯);3 C6H5OH + O=PCl3 → O=P(OC6H5)3 + 3 HCl

至於「沒食子酸」或「蕎麥中的3,5-二羥基苯甲酸」的植物性原料所合成的阻燃劑,除了把上列結構的苯環換成苯甲酸之外,由於沒食子酸分子具有三個可轉化為磷酸酯的酚羥基,較多的磷酸酯基團意味著這種阻燃劑可以更有效的降低可燃物的熱釋放速率。

至於文中這句”可望能自行降解”,可以想成上列反應式的逆反應。而且磷酸酯是由酚或有機醇與無機磷酸反應的產物,故其水解穩定性不好,在特定條件下磷酸酯可以水解,特別是在酸性環境下的自催化水解。另外,最重要的是它同時也具有生物可降解性,因為生物早已習慣於代謝沒食子酸與蕎麥中的成分。

結論:
這是一種不含鹵素的有機磷系阻燃劑,除了黏度高、分子量越高的化合物受熱時越不易揮發,而難燃性則是磷酸酯最突出的特性。這是由於其在高溫下不易燃燒、不傳播火焰,同時具有增塑的功能,因為藉由受熱時可形成穩定的多聚體,能覆蓋於可燃材料表面來隔絕外部氧氣進入與內部可燃性氣體之溢出,從而達到阻燃作用。

參考資料:Flame retardants — from plants

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