DOI: https://doi.org/10.1002/mame.70223
تاريخ النشر: 2026-04-01
المؤلف: Elif Kaynak وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد المقاومة للاشتعال وخصائصها
نظرة عامة
لقد أدى تزايد التدقيق التنظيمي على مثبطات اللهب التقليدية إلى استكشاف بدائل خالية من الهالوجين ومبنية على أساس حيوي، حيث برز اللجنين كمرشح قابل للتطبيق بسبب قدرته الطبيعية على التشار، وارتفاع محتوى الكربون، ومرونته الكيميائية. تستعرض هذه المراجعة مثبطات اللهب المشتقة من اللجنين بشكل نقدي، مع التركيز على سلوكها الناري، وعلاقات الهيكل والخصائص، وآليات العمل في تطبيقات متنوعة، بما في ذلك البوليمرات، والطلاءات، والأقمشة، ومواد البناء. تسلط الدراسة الضوء على كيفية تأثير عوامل مثل أصل النبات وطرق الاستخراج على التحلل الحراري، وتكوين الفحم، وسلوك الاحتراق، مما يبرز أهمية آليات المرحلة المكثفة في أداء النار.
تشير النتائج إلى أنه بينما يظهر اللجنين وعدًا في تعزيز مقاومة اللهب – كما يتضح من التحسينات في مؤشر الأكسجين المحدود (LOI)، وتصنيفات UL-94، وتقليل معدلات إطلاق الحرارة القصوى (pHRR) – فإن فعاليته غالبًا ما تكون محدودة بسبب تحديات مثل ضعف التشتت والتوافق داخل مصفوفات البوليمر. لقد وُجد أن التعديلات الكيميائية، وخاصة من خلال الفسفرة وإدخال أنظمة الفوسفور-النيتروجين أو الفوسفور-السيليكون، تحسن بشكل كبير من أداء النار من خلال تسهيل التشار الحفزي وتعزيز احتفاظ الفوسفور. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الأنظمة المحتوية على اللجنين والنانومركبات القدرة على تشكيل طبقات فحمية واقية، مما أدى إلى مزيد من التخفيضات في مقاييس إطلاق الحرارة. ومع ذلك، تظل القضايا المتعلقة بتوافق اللجنين مع البوليمرات المختلفة واستدامة عمليات تعديله حواجز حرجة أمام التطبيق الأوسع في المنتجات الآمنة من الحرائق.
مقدمة
تؤكد مقدمة ورقة البحث على الأهمية الحاسمة لسلامة الحرائق عبر مواد الهندسة المختلفة، لا سيما في المباني، والنقل، والإلكترونيات، والمنتجات الاستهلاكية. تعتبر مثبطات اللهب (FRs) ضرورية لتأخير الاشتعال، وإبطاء انتشار اللهب، وتحديد إطلاق الحرارة، مما يقلل من الأضرار والإصابات المرتبطة بالحرائق. تقليديًا، تم تصنيف مثبطات اللهب حسب تركيبها الكيميائي، بما في ذلك الأنظمة القائمة على الهالوجين، والفوسفور، والنيتروجين، والمعادن. كانت مثبطات اللهب الهالوجينية فعالة بشكل ملحوظ بسبب قدرتها على امتصاص الجذور في الطور الغازي؛ ومع ذلك، فقد ظهر تدقيق تنظيمي متزايد منذ أواخر التسعينيات بسبب المخاوف البيئية والصحية، لا سيما فيما يتعلق بالانبعاثات السامة من حرق النفايات واستمرار هذه المركبات في البيئة.
أدى الضغط التنظيمي إلى تقييد أو حظر العديد من مثبطات اللهب الهالوجينية، مثل الإيثرات ثنائية البروميد (PBDEs) والهيكسا بروموسيكلودودكان (HBCD)، مما دفع إلى استكشاف استراتيجيات بديلة لمثبطات اللهب تأخذ في الاعتبار كل من سلامة الحرائق والأثر البيئي. من بين البدائل، أظهرت الجزيئات الكبيرة الطبيعية مثل الكيتوزان، والنشا، والسليلوز، والحمض النووي خصائص مثبطات اللهب، على الرغم من أن بعضها، مثل الحمض النووي، يواجه قيودًا في الاستقرار الحراري والتكلفة. يظهر اللجنين، وهو بوليمر حيوي وفير في الطبيعة ومصدر كربون متجدد كبير، كمرشح واعد بسبب هيكله العطري الذي يفضل تكوين الفحم أثناء التحلل الحراري وكثافته العالية من مجموعات السطح التفاعلية. تضع هذه الخصائص اللجنين كمواد حيوية قابلة للتطبيق لتعزيز أنظمة مثبطات اللهب، والتي سيتم استكشافها بشكل أكبر في الأقسام التالية من الورقة.
طرق
في دراسة مواد البناء البوليمرية، قام كيم وآخرون بإدخال اللجنين وزيت الخروع كمواد حيوية، مستخدمين اللجنين الفوسفوري كمضاف مثبط للهب. أسفر هذا النهج عن تحسين كبير في الخصائص الميكانيكية للرغوات البولي يوريثانية القائمة على البوليمر الحيوي، حيث زادت القوة الانضغاطية بمقدار يصل إلى أربعة أضعاف، على الرغم من انخفاض القوة الانضغاطية للرغوات التقليدية. ساهم الهيكل العطري الصلب للجنين في هذا التحسين، بينما ساعد وجود الفوسفور في تكوين الفحم المبكر، مما أدى إلى تقليل معدلات إطلاق الحرارة القصوى (pHRRs) بنحو 65% وتعزيز سلوك الإطفاء الذاتي. أظهر اللجنين الفوسفوري فعالية مثبطات اللهب مقارنة بالفوسفات الأمونيوم، مما يجعله مضافًا متعدد الوظائف مستدامًا لتطبيقات البناء.
في دراسة مكملة، طور فييريا وآخرون (2023) رغوات بولي يوريثانية صلبة قائمة على أساس حيوي بالكامل من بوليولات مشتقة من اللجنين، محققين موصلية حرارية تبلغ 0.0289 واط/م·ك وكثافة حوالي 33 كغ/م³، وهي مقارنة بالرغوات العازلة التقليدية. أظهرت هذه الرغوات القائمة على اللجنين انخفاضًا بنسبة 18.5% في متوسط معدل إطلاق الحرارة ووقت احتراق ممتد بسبب خصائص تكوين الفحم للجنين. على الرغم من أن قوتها الانضغاطية ومعاملها كانت أقل من تلك الخاصة برغوات البولي يوريثان التقليدية، إلا أنها لا تزال تلبي المعايير اللازمة لعزل المباني. بالإضافة إلى ذلك، سمح إنتاج رغوات صلبة مفتوحة الخلايا من لجنين الكرافت، باستخدام عملية خبز دون عوامل نفخ خارجية، بتحقيق خصائص ميكانيكية وعزل مصممة، محققةً قوى انضغاط تصل إلى 6 ميغاباسكال وموصلية حرارية منخفضة تصل إلى 0.035 واط/م·ك. بينما لا يزال استجابة النار لهذه الألواح القائمة على اللجنين بحاجة إلى استكشاف كامل، فإن محتواها العالي من المركبات العطرية يشير إلى إمكانية وجود خصائص سلامة نارية مواتية.
مناقشة
تركز قسم المناقشة في ورقة البحث على خصائص مثبطات اللهب للجنين، مما يبرز أهمية قياس سلوك النار من خلال طرق اختبار موحدة. يتم استخدام اختبارات حريق مختلفة على نطاق المختبر، مثل اختبار الاحتراق UL-94، ومؤشر الأكسجين المحدود (LOI)، ومقياس حرارة المخروط، ومقياس حرارة الاحتراق المجهري (MCC)، لتقييم القابلية للاشتعال وخصائص الاحتراق للمواد. توفر هذه الاختبارات رؤى حاسمة حول الاشتعال، ومعدلات إطلاق الحرارة، وتوليد منتجات الاحتراق الخطرة، والتي تعتبر ضرورية لتطوير أنظمة مثبطات اللهب الفعالة. يلعب التحلل الحراري للجنين، المتأثر بهيكله الكيميائي وطرق الاستخراج، دورًا كبيرًا في فعاليته كمثبط للهب. تسلط الدراسة الضوء على أن الخصائص الجوهرية للجنين، مثل قدرته على تشكيل الفحم وتفاعليته، هي عوامل حاسمة لتعزيز مقاومة اللهب في مصفوفات البوليمر.
علاوة على ذلك، يتم مناقشة الآليات التي يعمل بها اللجنين كمثبط للهب، بشكل أساسي من خلال التفاعلات في المرحلة المكثفة التي تعيق عمليات الاحتراق. يحد تكوين طبقة فحمية كربونية أثناء التحلل الحراري من إطلاق الغازات القابلة للاشتعال ويقيد انتشار الأكسجين، مما يعزز مقاومة النار. تعتمد فعالية اللجنين كمثبط للهب على خصائصه الهيكلية، وطرق الاستخراج، والتعديلات الكيميائية المحتملة. تؤكد الورقة على الحاجة إلى مزيد من البحث في تقنيات تعديل اللجنين بعد التعديل وتفاعلاته التآزرية مع مثبطات اللهب الأخرى لتحسين أدائه في تطبيقات سلامة الحرائق.
DOI: https://doi.org/10.1002/mame.70223
Publication Date: 2026-04-01
Author(s): Elif Kaynak et al.
Primary Topic: Flame retardant materials and properties
Overview
The increasing regulatory scrutiny on conventional flame retardants has prompted the exploration of halogen-free and bio-based alternatives, with lignin emerging as a viable candidate due to its natural charring ability, high carbon content, and chemical versatility. This review critically examines lignin-derived flame retardants, focusing on their fire behavior, structure-property relationships, and mechanisms of action in various applications, including polymers, coatings, textiles, and construction materials. The study highlights how factors such as plant origin and extraction methods influence thermal decomposition, char formation, and combustion behavior, emphasizing the importance of condensed-phase mechanisms in fire performance.
The findings indicate that while lignin shows promise in enhancing flame retardancy—evidenced by improvements in limiting oxygen index (LOI), UL-94 ratings, and reductions in peak heat release rate (pHRR)—its effectiveness is often limited by challenges such as poor dispersion and compatibility within polymer matrices. Chemical modifications, particularly through phosphorylation and the introduction of phosphorus-nitrogen or phosphorus-silicon systems, have been found to significantly improve fire performance by facilitating catalytic charring and enhancing phosphorus retention. Additionally, lignin-containing intumescent systems and nanocomposites have demonstrated the ability to form protective char layers, leading to further reductions in heat release metrics. However, issues related to the compatibility of lignin with various polymers and the sustainability of its modification processes remain critical barriers to broader application in fire-safe products.
Introduction
The introduction of the research paper emphasizes the critical importance of fire safety across various engineering materials, particularly in buildings, transportation, electronics, and consumer products. Flame retardants (FRs) are essential for delaying ignition, slowing flame spread, and limiting heat release, thereby reducing fire-related damage and casualties. Traditionally, FRs have been categorized by their chemical composition, including halogen-, phosphorus-, nitrogen-, and metal-based systems. Halogenated FRs have been notably effective due to their ability to scavenge radicals in the gas phase; however, increasing regulatory scrutiny since the late 1990s has emerged due to environmental and health concerns, particularly regarding toxic emissions from waste incineration and the persistence of these compounds in the environment.
The regulatory pressure has led to the restriction or banning of several halogenated FRs, such as polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) and hexabromocyclododecane (HBCD), prompting the exploration of alternative flame-retardant strategies that consider both fire safety and environmental impact. Among the alternatives, natural macromolecules like chitosan, starch, cellulose, and DNA have shown flame-retardant properties, although some, like DNA, face limitations in thermal stability and cost. Lignin, a biopolymer abundant in nature and a significant renewable carbon source, emerges as a promising candidate due to its aromatic structure that favors char formation during thermal decomposition and its high density of reactive surface functional groups. These characteristics position lignin as a viable bio-based material for enhancing flame-retardant systems, which will be further explored in subsequent sections of the paper.
Methods
In the study of polymeric building materials, Kim et al. incorporated lignin and castor oil as biopolyols, utilizing phosphorylated lignin as a flame retardant additive. This approach resulted in a significant enhancement of the mechanical properties of biopolyol-based polyurethane foams, with compressive strength increasing by up to fourfold, despite a reduction in the compressive strength of conventional foams. The rigid aromatic structure of lignin contributed to this improvement, while the presence of phosphorus facilitated early char formation, leading to a reduction in peak heat release rates (pHRRs) by approximately 65% and promoting self-extinguishing behavior. Phosphorylated lignin demonstrated flame-retardant efficacy comparable to ammonium polyphosphate, marking it as a sustainable multifunctional additive for construction applications.
In a complementary study, Vieria et al. (2023) developed biobased rigid polyurethane foams entirely from lignin-derived polyols, achieving thermal conductivity of 0.0289 W/m·K and density around 33 kg/m³, which are comparable to conventional insulation foams. These lignin-based foams exhibited an 18.5% reduction in average heat release rate and extended burning time due to the char-forming properties of lignin. Although their compressive strength and modulus were lower than those of traditional polyurethane foams, they still met the necessary standards for building insulation. Additionally, the production of rigid open-cell foams from kraft lignin, using a baking process without external blowing agents, allowed for tailored mechanical and insulation properties, achieving compressive strengths of up to 6 MPa and thermal conductivities as low as 0.035 W/m·K. While the fire response of these lignin-based panels remains to be fully explored, their high aromatic content suggests potential for favorable fire safety characteristics.
Discussion
The discussion section of the research paper focuses on the flame-retardant properties of lignin, emphasizing the importance of quantifying fire behavior through standardized testing methods. Various laboratory-scale fire tests, such as the UL-94 burning test, limiting oxygen index (LOI), cone calorimeter, and microscale combustion calorimeter (MCC), are employed to assess the flammability and combustion characteristics of materials. These tests provide critical insights into ignition, heat release rates, and the generation of hazardous combustion products, which are essential for developing effective flame-retardant systems. The thermal decomposition of lignin, influenced by its chemical structure and extraction methods, plays a significant role in its effectiveness as a flame retardant. The study highlights that lignin’s intrinsic properties, such as its ability to form char and its reactivity, are crucial for enhancing flame retardancy in polymer matrices.
Furthermore, the mechanisms by which lignin acts as a flame retardant are discussed, primarily through condensed-phase interactions that inhibit combustion processes. The formation of a carbonaceous char layer during pyrolysis limits the release of flammable gases and restricts oxygen diffusion, thereby enhancing fire resistance. The effectiveness of lignin as a flame retardant is contingent upon its structural characteristics, extraction methods, and potential chemical modifications. The paper underscores the need for further research into lignin’s post-modification techniques and its synergistic interactions with other flame retardants to optimize its performance in fire safety applications.