生物基聚氨酯材料的研究进展

Nov 12,2021

1. 引言

聚氨酯材料因其良好的弹性、耐磨性和绝缘性等优异性能，广泛应用于建筑、汽车、家具和鞋类等多个领域。传统聚氨酯材料主要由石油基原料合成，面临资源枯竭和环境污染等问题。近年来，随着环保意识的增强和石油资源的短缺，生物基聚氨酯材料的研发受到广泛关注。生物基聚氨酯材料采用可再生的生物基原料替代部分或全部石油基原料，不仅有助于缓解对石油的依赖，还具有更好的环境友好性。

2. 生物基原料的研究进展

生物基多元醇
- 合成方法 生物基多元醇的合成是制备生物基聚氨酯材料的关键步骤。常见的合成方法包括甘油三酯（如大豆油、蓖麻油）的酯交换反应、木质纤维素生物质的水解以及糖类的发酵。例如，大豆油基多元醇通过大豆油与甘油、乙二醇等多元醇的酯交换反应制备。富含羟基的蓖麻油可直接改性，获得具有不同功能性的生物基多元醇。
- 性能与应用 生物基多元醇的性能因原料和合成方法不同而异，可用于制备具有不同性能的生物基聚氨酯材料。例如，来源于大豆油的生物基多元醇可用于制备家具和汽车内饰用的柔性聚氨酯泡沫，而高功能性的生物基多元醇可用于制备建筑行业的刚性聚氨酯泡沫，用于热绝缘。
生物基异氰酸酯
- 研究现状 异氰酸酯是聚氨酯合成的另一重要原料。然而，大多数传统异氰酸酯为石油基且具有一定毒性。生物基异氰酸酯的研究仍处于早期阶段。目前，一些研究集中于通过天然产物的改性或开发新的合成路线来合成生物基异氰酸酯。例如，有研究者探索从氨基酸或糖类合成生物基异氰酸酯。
- 挑战生物基异氰酸酯的合成面临诸多挑战，如产率低、成本高及反应条件难以控制。因此，生物基异氰酸酯的大规模应用仍需进一步研究和开发。

3. 生物基聚氨酯材料的制备与性能

制备方法 生物基聚氨酯材料的制备方法与传统聚氨酯材料类似，包括一次成型法、预聚体法等。一次成型法是将所有原料（生物基多元醇、异氰酸酯、催化剂、助剂等）一次性混合反应生成聚氨酯材料。预聚体法是先将生物基多元醇与异氰酸酯反应形成预聚体，再加入其他助剂继续反应制备聚氨酯材料。
性能特点 生物基聚氨酯材料在某些方面的性能与传统聚氨酯材料相当甚至更优。例如，生物基聚氨酯泡沫具有良好的弹性、回弹性和热绝缘性能，同时还能降低碳足迹。生物基聚氨酯涂层具有良好的附着力、耐腐蚀性和耐候性。此外，生物基聚氨酯材料还具有良好的生物降解性，有助于减少环境污染。

4. 生物基聚氨酯材料的应用领域

建筑行业 生物基聚氨酯刚性泡沫可用作建筑墙体、屋顶和地板的保温材料，有效提升建筑能效，降低能耗。生物基聚氨酯密封剂和胶粘剂可用于建筑施工中的密封和粘接，具有良好的密封和粘接效果。
汽车行业 生物基聚氨酯泡沫可用于汽车座椅、仪表板和车门内饰，提供良好的舒适性和美观性。生物基聚氨酯涂层可用于汽车内外装饰，具有良好的耐腐蚀性和耐磨性。
家具和鞋类行业 生物基聚氨酯泡沫广泛应用于家具坐垫和床垫，提供良好的弹性和舒适性。生物基聚氨酯材料还可用于鞋底和鞋面生产，具有良好的耐磨性和柔韧性。

5. 挑战与未来展望

挑战
- 成本生物基原料及生物基聚氨酯材料的生产工艺成本较高，限制了其大规模应用。
- 性能优化 尽管生物基聚氨酯材料在某些方面性能良好，但在高温耐受性和机械强度等性能上仍有提升空间。
- 标准化与法规 生物基聚氨酯材料相关的标准和法规尚不完善，影响其市场推广和应用。
未来展望
- 技术创新 随着技术的不断进步，生物基原料的合成技术和生物基聚氨酯材料的制备技术将持续改进，成本将逐步降低。
- 市场拓展 随着环保意识的提升和可持续材料需求的增长，生物基聚氨酯材料的市场需求将持续扩大，其应用领域也将进一步拓展。
- 可持续发展 生物基聚氨酯材料的发展符合可持续发展的趋势，未来将在促进聚氨酯行业可持续发展和减少环境影响方面发挥重要作用。