1. 引言

随着对可持续发展和环境保护需求的不断增加，高性能生物基聚氨酯的研发引起了广泛关注。传统聚氨酯主要由石油基原料合成，这些原料不可再生且可能导致环境污染。相比之下，高性能生物基聚氨酯使用可再生的生物基原料，如生物基多元醇和生物基异氰酸酯，替代部分或全部石油基原料。这不仅有助于减少对石油资源的依赖，还具有更好的环境友好性。同时，实现高性能对于其在各个领域的广泛应用至关重要。

2. 高性能生物基聚氨酯的制备

2.1 生物基原料的选择

• ​ ​生物基多元醇​ ​
  • ​ ​来源​ ​：常见的生物基多元醇来源于大豆油、蓖麻油和木质纤维素生物质等可再生资源。大豆油基多元醇通过转酯化和环氧化等反应对大豆油进行改性获得。富含羟基的蓖麻油经过适当处理后可直接用作合成生物基多元醇的原料。木质纤维素生物质可通过水解和化学改性等工艺转化为生物基多元醇。
  • ​ ​性能​ ​：生物基多元醇的性能，如羟值、官能度和分子量，对聚氨酯的性能有显著影响。例如，较高的羟值可导致聚氨酯交联密度增加，从而提升机械性能。
• ​ ​生物基异氰酸酯​ ​
  • ​ ​研究进展​ ​：虽然生物基异氰酸酯的研究仍处于早期阶段，但已取得一些进展。生物基异氰酸酯可由氨基酸和糖类等天然产物合成。例如，一些研究者探索了由木质素衍生化合物合成生物基异氰酸酯的方法。
  • ​ ​挑战​ ​：生物基异氰酸酯的合成面临产率低、成本高及反应条件难以控制等挑战。目前，在某些情况下，少量生物基异氰酸酯与传统石油基异氰酸酯结合使用，以制备高性能生物基聚氨酯。

2.2 合成工艺

• ​ ​一次法​ ​
  • ​ ​原理​ ​：一次法是将所有原料，包括生物基多元醇、生物基异氰酸酯、催化剂、助剂及链扩展剂（如有必要）一次性混合，然后进行反应生成聚氨酯。该方法简单，生产周期短。
  • ​ ​优缺点​ ​：优点是工艺简单，设备要求低。但难以精确控制反应过程，可能导致产品质量不均匀。
• ​ ​预聚体法​ ​
  • ​ ​原理​ ​：预聚体法先将生物基多元醇与生物基异氰酸酯反应生成预聚体，然后向预聚体中加入其他助剂和链扩展剂进行进一步反应。该方法可更好地控制反应过程和产品质量。
  • ​ ​优缺点​ ​：优点是能生产性能更稳定的高质量聚氨酯，但工艺较复杂，需更多设备和时间。

3. 高性能生物基聚氨酯的性能研究

3.1 机械性能

• ​ ​拉伸强度和断裂伸长率​ ​
  • ​ ​研究发现​ ​：研究表明，高性能生物基聚氨酯的机械性能可与传统石油基聚氨酯相媲美甚至更优。通过调整生物基原料的类型和含量及合成工艺，可有效控制聚氨酯的拉伸强度和断裂伸长率。例如，提高交联密度可增强拉伸强度，而保持一定柔韧性则可增加断裂伸长率。
• ​ ​硬度和模量​ ​
  • ​ ​原料和工艺的影响​ ​：高性能生物基聚氨酯的硬度和模量也受生物基多元醇和异氰酸酯类型及合成工艺的影响。不同的生物基多元醇会导致聚氨酯硬度不同。例如，官能度较高的多元醇可使聚氨酯硬度增加。

3.2 热性能

• ​ ​热稳定性​ ​
  • ​ ​热分解温度​ ​：高性能生物基聚氨酯的热稳定性是重要的性能指标。研究发现，通过使用热稳定性高的生物基原料并优化合成工艺，可提高生物基聚氨酯的热分解温度。例如，某些来源于木质纤维素生物质的生物基多元醇能提升聚氨酯的热稳定性。
• ​ ​玻璃化转变温度​ ​
  • ​ ​对性能的影响​ ​：高性能生物基聚氨酯的玻璃化转变温度（Tg）影响其在不同温度下的柔韧性和硬度。通过调整生物基原料的类型和含量，可控制聚氨酯的Tg。较高的Tg通常表示聚氨酯较硬且脆性较大，而较低的Tg则表示聚氨酯更柔韧且富有弹性。

3.3 环境性能

• ​ ​生物降解性​ ​
  • ​ ​降解机制​ ​：高性能生物基聚氨酯的一个显著优势是其生物降解性。在适宜的环境条件下，如土壤或堆肥中，生物基聚氨酯可被微生物分解为二氧化碳和水。聚氨酯的生物降解性受生物基原料类型和交联结构等因素影响。
• ​ ​环境友好性​ ​
  • ​ ​减少环境污染​ ​：使用可再生的生物基原料减少了对石油资源的依赖及生产过程中的温室气体排放。同时，聚氨酯的生物降解性也减少了废弃物处理带来的环境污染。

4. 应用前景

• ​ 航空航天和汽车工业 ​
  • ​ 轻量化和高性能要求 高性能生物基聚氨酯可用于航空航天和汽车工业制造轻量化和高性能部件。其高强度重量比和良好的机械性能有助于减轻车辆和飞机的重量，提高燃油效率并减少排放。
• ​ 建筑和建材 ​
  • ​ 隔热和保护 在建筑行业，高性能生物基聚氨酯可用作隔热材料、涂层和粘合剂。其良好的热绝缘性能、防水性能和耐久性可以提高建筑的能源效率和使用寿命。
• ​ 医疗和健康领域 ​
  • ​ 生物相容性 由于其良好的生物相容性，高性能生物基聚氨酯可用于医疗和健康领域制造医疗器械、伤口敷料和组织工程支架。