《Materials Chemistry and Physics》：Deep Eutectic Solvent–Derived Flame-Retardant Coatings for Expanded Polystyrene Foam: Adhesion, Thermal Stability, and Molecular-Level Insights
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Vijay Kumar Vishvakarma|Sandeep Kumar|Gyanendra Kumar|Dhanraj T. Masram德里技能提升与创业发展学院，德里大学杰出研究所，印度德里-110007摘要成功合成了一种由氯化胆碱和磺胺酸组成的深共晶溶剂（DES），并使
Vijay Kumar Vishvakarma|Sandeep Kumar|Gyanendra Kumar|Dhanraj T. Masram
德里技能提升与创业发展学院，德里大学杰出研究所，印度德里-110007
摘要
成功合成了一种由氯化胆碱和磺胺酸组成的深共晶溶剂（DES），并使用光谱技术（ST）和密度泛函理论（DFT）对其进行了表征。膨胀聚苯乙烯（EPS）泡沫以其轻质、抗冲击性和优异的隔热性能而闻名。然而，它具有高度易燃性，对安全和环境构成严重威胁。为了解决这些问题，将合成的DES涂覆在EPS表面作为经济且可持续的阻燃剂（FR）。对EPS表面施加了不同浓度的DES，并通过ST和分子动力学（MD）模拟进行了吸附研究。此外，还进行了热降解分析、易燃性评估和多循环退火MD模拟，以评估材料的阻燃性能。MD结果显示，即使经过五次加热循环，仍具有很强的附着力。简单的燃烧测试和UL-94测试表明阻燃性能显著提高。未经处理的EPS、涂有5%、10%和15% DES的样品在UL-94测试中的点燃时间分别为0.93秒、4.2秒和8.4秒。此外，涂层的样品的极限氧指数（LOI）分别为23.67、26.67和26.67，而未经处理的EPS的LOI为18。总体而言，这项工作有助于开发更有效、更安全、更经济和更可持续的阻燃材料。
引言
膨胀聚苯乙烯（EPS）泡沫因其轻质、抗冲击性和高吸水性而被广泛使用。这些特性使其适用于汽车、电子、食品包装和体育等多个领域。[1]，[2] 2025年EPS的全球年市场规模约为1284万吨，预计2025-2030年的年增长率约为3.05%，到2030年将达到约149.2亿吨。[3]
尽管EPS具有这些优点，但由于其较低的极限氧指数（LOI）值、高易燃性和大量烟雾产生，它对人类和环境构成威胁。[4]，[5] 因此，需要开发阻燃（FR）材料来保护EPS泡沫。因此，涂覆阻燃剂是最常见的防火方法。这些涂层在材料表面形成一层保护性的碳质层，有助于减少热量和烟雾的产生。[6]，[7]
阻燃涂层的工作原理包括凝聚相稳定、气相抑制和热传递中断。[8]，[9] 这些涂层通常分为两类：膨胀型涂层和非膨胀型涂层。[10]，[11] 膨胀型涂层在受热时会膨胀并形成绝缘碳层，而非膨胀型涂层则通过化学和物理机制减缓燃烧而不膨胀。[12]，[13]，[14] 一些技术采用逐层涂层来增强阻燃性能。[15]，[16] 基于卤素的阻燃剂最初因其高效淬灭自由基的能力而被使用。然而，它们对动物和环境的有害影响引发了开发新型无卤阻燃剂的关注。[17] 因此，如今更倾向于使用氮、硅、磷等为基础的阻燃剂。[18] 纳米技术的整合在开发这种高效阻燃剂方面发挥着关键作用，可以提高颜色、阻燃性能和机械强度。[19]，[20]
最近的研究主要集中在开发有效且可持续的阻燃涂层上，包括可生物降解聚合物、深共晶溶剂（DES）等。[21] DES以其制备简单、经济实惠、不可燃性和环境安全性而著称。[22] DES主要是通过结合氢键供体和受体形成的。[23] 通过结合无机和有机片段，可以设计出更有效的不可燃DES。DES分为亲水型和疏水型两种。[24] 两者在开发高效阻燃剂方面都很有前景。[24]，[25] 本研究使用了一种低成本的无机和有机成分来制备DES。然而，在大多数研究中，EPS的颜色会受到影响，而本研究中颜色保持不变，这使得它成为一种更新颖的选择。
本研究主要关注设计基于DES的低成本、抑烟阻燃涂层，用于EPS泡沫。该涂层通过简单混合制备，并通过多种光谱技术（ST）和密度泛函理论（DFT）进行分析。然后将不同浓度的DES涂覆在EPS表面，并通过不同的ST以及分子动力学（MD）模拟中的粘附模型进行表征。进一步对其热稳定性、易燃性和退火行为进行了研究，以确认其阻燃效果。最后进行了LOI测试以验证阻燃涂层的有效性。总体而言，这项研究有助于开发可持续、高性能和环保的EPS阻燃涂层，为更安全和有效的阻燃技术提供了途径。
章节摘录
材料
EPS泡沫从印度Direct Trading Point Pvt. Ltd.公司获得。氯化胆碱（ChCl）、磺胺酸（SA）和无水乙醇从Spectrochem Pvt. Ltd.公司采购。本研究中使用的所有化学品均为分析级。
DES的制备
氯化胆碱具有很强的吸湿性，在开放环境中不稳定，无法在常规条件下储存。因此，计划合成DES用于涂层。DES采用简单的混合技术制备。
FTIR结果
FTIR光谱是一种强大的分析技术，可以检测分子的振动模式。通过功能团和键合环境的信息，可以揭示分子结构的细节。[34] 每个分子都会产生独特的FTIR光谱，如图1a所示。使用FTIR光谱对氯化胆碱（ChCl）、磺胺酸（SA）和ChCl-SA DES进行了表征。ChCl的FTIR光谱在982、1105、1480、2960和3390 cm-1处有特征峰。
结论
成功合成了基于ChCl和SA的DES，并通过ST、TGA和DFT结果进行了表征。随后，将不同浓度的DES涂覆在EPS泡沫表面，结果通过重量增加测量、SEM结合EDX、CHNS分析和计算吸附分析得到了验证。此外，简单的易燃性测试和垂直UL-94测试证实了阻燃性能的显著提升。
CRediT作者贡献声明
Vijay Vishvakarma：撰写——初稿、软件、方法论、调查、数据分析、概念化。Gyanendra Kumar：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、资源准备。Sandeep Kumar：撰写——初稿、数据分析、概念化。Dhanraj Masram：验证、监督、概念化
图表来源
手稿和目录（TOC）中的所有照片均由共同作者Vijay Kumar Vishvakarma拍摄。这些图表是原创的，之前未使用或发表过。由于没有涉及第三方内容，因此无需许可。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
Vijay Kumar Vishvakarma衷心感谢德里大学杰出研究所提供的博士后奖学金。作者们还感谢德里大学化学系提供的超级计算集群（HPCC）设施，以及德里大学大学科学仪器中心（USIC）的支持。
