一种无需溶剂和光引发剂的生物基UV固化涂层制备方法，该涂层具有阻燃性能和UV触发的自修复能力

《Industrial Crops and Products》：A solvent- and photoinitiator-free strategy for bio-based UV-curable coatings with flame retardancy and UV-triggered self-healability

生物基UV固化涂层通过HMF和TA的酯化反应制备，兼具阻燃（UL-94 V-0，LOI 28.2%）和UV自修复（92%强度恢复）特性，并保持高透明度和耐腐蚀性。

　　本研究提出了一种创新的、基于可再生资源的紫外线固化涂层，其具备优异的阻燃性能和紫外线诱导自修复能力。该涂层通过将5-羟甲基糠醛（HMF）和硫辛酸（TA）进行酯化反应，随后在无溶剂和光引发剂的条件下进行紫外线固化，从而实现材料的动态网络重构。这一技术突破不仅减少了对传统化石资源的依赖，还显著提升了材料的可持续性和环保性，为工业涂层技术提供了新的发展方向。

### 可持续发展的必要性与挑战

随着全球对可持续发展和环境保护的关注日益增加，传统涂层技术正面临前所未有的挑战。传统的溶剂型涂层不仅在生产过程中消耗大量资源，而且在使用后会产生大量的废弃物，增加了环境污染的风险。此外，这些涂层在固化后通常形成不可逆的共价交联结构，使得材料难以修复或回收，进一步加剧了资源浪费问题。因此，开发具有自修复能力和可回收性的生物基材料成为当前研究的热点。

在这一背景下，UV固化技术因其高效、节能、环保等优点，逐渐成为替代传统溶剂型工艺的重要手段。然而，大多数UV固化树脂仍依赖于非可再生资源，这与可持续发展的目标相悖。为了克服这一限制，研究人员开始探索将可再生生物资源引入UV固化体系，以实现环保与性能的双重提升。其中，TA作为一种天然小分子，因其抗氧化、抗菌、可生物降解和生物相容性等特性，成为构建具有自修复能力的生物基涂层的理想选择。

### TA与HMF的特性与应用潜力

TA是一种天然存在的化合物，广泛存在于动物体内。它不仅具有优异的抗氧化和抗菌性能，还具备良好的生物降解性和生物相容性，使其在生物基材料的开发中具有重要地位。TA的分子结构中包含一个五元环状二硫键和一个羧酸基团，这些结构特征使其能够在外部刺激（如光照和温度）下发生开环聚合，从而形成具有动态性能的网络结构。这种动态性不仅赋予材料自修复能力，还能在一定程度上改善其机械性能。

另一方面，HMF是一种从玉米淀粉中提取的重要平台化合物，具有高度的功能化特性。作为绿色可持续材料的重要组成部分，HMF已被广泛应用于高性能聚合物的制备中。与TA相似，HMF也能够通过酯化反应与其他分子结合，形成具有动态特性的聚合物网络。此外，HMF的引入还能显著提升材料的热稳定性和阻燃性能，使其在极端环境下表现出更强的耐受性。

结合TA和HMF的优势，研究人员开发了一种新型的生物基UV固化涂层。该涂层不仅具备良好的自修复能力，还能在紫外线照射下实现表面划痕的快速修复，同时展现出优异的阻燃性能。这种材料的制备过程完全避免了溶剂和光引发剂的使用，进一步提升了其环保性。

### 自修复机制与阻燃性能的协同作用

本研究中，HDT-x涂层的自修复能力主要依赖于其内部的动态二硫键。当涂层受到划痕或损伤时，二硫键可以在紫外线照射下发生交换反应，促使网络结构重新排列，从而实现材料的自我修复。通过调控DHP-TA的含量，研究人员能够有效调节涂层的自修复效率。结果显示，随着DHP-TA含量的增加，自修复效率显著提升，其中HDT-40涂层的自修复效率高达92%。这表明，DHP-TA的引入不仅提高了涂层的柔韧性，还增强了二硫键的动态特性，使得材料在受到损伤后能够快速恢复其原有性能。

与此同时，DHP-TA的引入还显著提升了涂层的阻燃性能。通过热重分析（TGA）和极限氧指数（LOI）测试，研究人员发现，HDT-40涂层的LOI值达到了28.2%，并且能够通过UL-94垂直燃烧测试，获得V-0等级的阻燃评级。这一结果表明，DHP-TA不仅能够有效抑制燃烧过程中的自由基传播，还能促进炭层的形成，从而阻断氧气供应，提高材料的阻燃能力。此外，SEM-EDS分析进一步揭示了涂层在燃烧后形成的炭层结构，表明磷元素在高温下的分解有助于炭层的生成，从而增强了材料的热稳定性和阻燃性能。

### 材料性能的全面优化

除了自修复和阻燃性能，该涂层还表现出优异的机械性能、光学透明性和耐腐蚀性。通过动态机械分析（DMA）和应力松弛测试，研究人员发现，随着DHP-TA含量的增加，涂层的存储模量逐渐降低，表明其内部结构变得更加灵活。这种灵活性不仅有助于自修复过程的进行，还能够提高材料的延展性，使其在受到冲击时表现出更好的抗冲击能力。同时，涂层的硬度也随着DHP-TA含量的增加而下降，这与其网络结构的动态特性密切相关，进一步验证了其自修复能力的可行性。

在光学性能方面，HDT-40涂层展现出几乎无色且高度透明的特性，其在可见光谱范围内的透射率保持在较高水平。这一特性使其在透明建筑涂料、电子设备封装材料等领域具有广阔的应用前景。此外，涂层的耐腐蚀性也得到了充分验证。通过极化曲线测试，研究人员发现，HDT-x涂层能够显著降低金属基材的腐蚀速率，特别是在含有氯离子的腐蚀环境中，表现出优异的保护性能。HDT-0涂层由于其较高的交联密度，展现出最佳的耐腐蚀性，这表明交联度对涂层性能具有重要影响。

### 可持续性与工业应用前景

本研究提出的HDT-x涂层不仅在性能上表现出色，还具备显著的可持续性优势。该材料完全来源于可再生资源，避免了对化石资源的依赖，降低了生产过程中的碳排放。此外，其无溶剂和无光引发剂的制备方式进一步减少了对环境的影响，使其符合绿色化学的发展方向。HDT-x涂层的多功能性，使其在多个工业领域具有广阔的应用前景，包括电子设备、汽车表面处理、建筑透明涂层以及海洋环境防护等。

值得注意的是，该涂层的自修复能力与阻燃性能之间的协同效应，使其在高温和高机械应力环境下依然能够保持良好的性能。这种材料的开发为解决传统涂层在使用过程中因损伤而需要频繁更换的问题提供了新的思路，同时也为提高材料的安全性和耐久性提供了技术支持。通过进一步优化DHP-TA的含量，研究人员可以调节涂层的性能，使其更适应不同应用场景的需求。

### 结论与展望

综上所述，本研究成功开发了一种基于HMF和TA的生物基UV固化涂层，该材料在无溶剂和无光引发剂的条件下，表现出优异的自修复能力、阻燃性能和耐腐蚀性。这种材料的出现不仅为可持续涂层技术提供了新的解决方案，也为工业应用中的多功能材料设计开辟了新的路径。未来，随着对生物基材料研究的深入，可以进一步探索其在更广泛领域的应用，如可穿戴设备、航空航天材料、可降解包装材料等。同时，研究人员还可以通过引入其他功能性基团或调整材料的组成比例，进一步提升其性能，使其在更复杂的环境中保持稳定性和可靠性。这一成果标志着生物基材料在高性能涂层领域迈出了重要的一步，为实现绿色、可持续的工业发展提供了坚实的基础。