基于蓖麻油和木质素的重叠聚氨酯薄膜，具有优异的阻隔性能

《Progress in Lipid Research》：Castor oil graphted lignin-based polyurethane film with excellent barrier properties

两步酯化改性木质素与修饰蓖麻油共聚制备高生物基聚氨酯材料，显著提升其阻隔性能和机械强度。

　　生物基聚氨酯材料因其在缓解能源短缺方面的潜力而受到越来越多的关注。这类材料通常具备良好的阻隔性能、柔韧性和化学稳定性，广泛应用于包装、汽车零部件和家用电器等领域。然而，随着石油资源的日益枯竭和环境污染问题的加剧，对可降解、来源于可再生资源的聚合物材料需求不断上升。因此，开发具有高阻隔性能的生物基聚氨酯材料成为未来研究的重要方向之一。

在生物基聚氨酯材料的开发过程中，如何有效提升其阻隔性能和机械性能，同时克服生物原料固有的局限性，是研究的关键。例如，许多生物基原料如木质素往往具有较高的亲水性，这使得其在制成聚氨酯材料时容易受到水分影响，进而导致较差的水蒸气阻隔性能。此外，木质素的复杂结构也会造成空间位阻效应，限制了其在聚氨酯合成中的反应活性，使得其在高含量聚氨酯中的应用面临挑战。

为了克服这些限制，研究人员尝试通过化学改性提升木质素的反应活性并改善其结构特性。例如，通过引入反应性基团或改变分子结构，使得木质素能够更有效地参与聚氨酯的合成过程。同时，利用具有高阻隔性能的天然植物油作为改性剂，不仅能够增强材料的阻隔性能，还能够提高其在实际应用中的耐久性。但需要注意的是，某些植物油来源于食品资源，这可能引发对资源竞争的担忧。

因此，本研究提出了一种新的方法，即通过将木质素与改性后的蓖麻油进行化学接枝，从而提升其阻隔性能和机械性能。该方法首先对蓖麻油进行改性，通过点击反应引入具有高反应活性的羟基基团，同时对木质素进行酯化改性，使其结构中引入羧基基团。随后，将改性后的蓖麻油与改性后的木质素进行酯化反应，获得蓖麻油接枝的木质素（MOLA）。最后，将MOLA与六亚甲基二异氰酸酯（HDI）进行反应，合成出具有高生物基含量（>70%）的聚氨酯材料（MLPU）。

通过调整蓖麻油与木质素的摩尔比例，研究人员能够优化材料的性能。在本研究中，当蓖麻油中的羟基基团与木质素中的羧基基团的摩尔比为5:1时，所制得的聚氨酯材料（5:1-PU）表现出优异的性能指标。其拉伸强度达到10.0 ± 0.1 MPa，韧性为468.3 ± 3.3 MJ·m?3，水接触角为98.3°，水蒸气透过率（WVTR）为2.10 ± 0.39 g/m2·24h。此外，该材料还展现出良好的气体阻隔性能，如氧气渗透系数为7.4 ± 3.0 × 10?? cm3·mm/(m2·day·atm)，二氧化碳渗透系数为1.5 ± 0.5 × 10?? cm3·mm/(m2·day·atm)，以及优异的紫外光（UV）稳定性。这些性能的提升，使得该材料在实际应用中展现出更广泛的可能性。

该研究还特别关注了材料的结构特性。通过化学接枝，蓖麻油中的烷基羟基基团能够有效缓解木质素结构带来的空间位阻效应，从而改善其在聚氨酯合成中的反应活性。此外，改性后的蓖麻油具有良好的疏水性，使得其在木质素基聚氨酯材料中能够显著提升水蒸气阻隔性能。通过系统地对材料进行表征，研究人员能够深入理解其物理化学性质，以及在涂层应用中的表现。

本研究的成果不仅为高生物基含量聚氨酯材料的开发提供了新的思路，也为生物基材料在替代石油基薄膜方面的应用开辟了新的路径。通过合理设计材料的结构和性能，研究人员能够实现对生物资源的高效利用，同时减少对环境的影响。此外，该研究还强调了跨学科合作的重要性，包括化学、材料科学和环境工程等多个领域的知识和技术的结合，使得研究成果更具实际应用价值。

在材料制备过程中，研究人员采用了多种分析手段来评估其性能。例如，通过核磁共振（NMR）、质谱（MS）和红外光谱（FTIR）等技术，对改性后的蓖麻油和木质素的化学结构进行了详细分析。这些分析结果不仅验证了改性过程的成功，也为后续的性能优化提供了理论依据。此外，通过制备不同比例的蓖麻油与木质素的材料，研究人员能够系统地研究其对最终材料性能的影响，从而找到最佳的配比方案。

除了性能的优化，本研究还关注了材料的可持续性。由于蓖麻油和木质素均为可再生资源，其在聚氨酯材料中的应用不仅符合环保理念，还能够减少对化石燃料的依赖。这种基于可再生资源的材料开发方式，为未来可持续发展提供了新的可能性。同时，通过提高材料的阻隔性能和机械性能，研究人员能够拓展其在包装、建筑和电子等领域的应用范围。

本研究的成果表明，通过合理的化学改性和结构设计，可以有效提升生物基聚氨酯材料的性能，使其在实际应用中更具竞争力。此外，该方法不仅能够实现对木质素的高价值利用，还能够推动生物基材料在替代石油基薄膜方面的应用。这种创新性的材料开发方式，为未来绿色材料的探索提供了重要的参考。

在研究过程中，研究人员还对材料的制备工艺进行了优化。例如，通过控制反应条件和反应时间，能够确保改性过程的高效性和可控性。此外，通过引入不同的功能性基团，研究人员能够进一步调控材料的性能，使其满足不同应用场景的需求。这些工艺的优化不仅提高了材料的性能，还降低了制备成本，使得该材料在实际应用中更具经济可行性。

本研究还强调了材料在实际应用中的重要性。例如，在包装领域，高阻隔性能的材料能够有效防止水分和气体的渗透，从而延长产品的保质期。在汽车和建筑领域，材料的优异机械性能和耐久性能够满足高强度和长期使用的需要。在电子和光学领域，材料的高紫外稳定性能够保护电子元件免受紫外线的损害。这些应用场景的拓展，使得该材料具有更广泛的应用前景。

综上所述，本研究通过将木质素与改性后的蓖麻油进行化学接枝，成功开发出一种具有高生物基含量、优异阻隔性能和良好机械性能的聚氨酯材料。该材料不仅能够有效缓解能源短缺问题，还能够减少对环境的影响，为未来可持续材料的发展提供了新的思路和方向。通过进一步的研究和优化，该材料有望在更多领域中得到应用，为绿色经济的发展做出贡献。