从2-羟基丙基蓖麻油酸酯和蓖麻油酸乙醇酰胺合成的生物基蓖麻油衍生物，用于木材涂层应用

《Advanced Sustainable Systems》：Bio-Based Castor Oil Derivatives Synthesized From 2-Hydroxypropyl Ricinoleate and Ricinoleic Ethanolamide for Wood Coating Applications

甲基丙烯酰化2-羟丙基蓖麻酸酯（2-HPR MMA）和甲基丙烯酰化蓖麻油乙醇酰胺（ROEA MMA）的合成及其在木材涂层中的应用研究表明，通过转酯化和氨基化改性后的蓖麻油衍生物，经流变学、热稳定性和机械性能测试，发现其粘度显著降低（2-HPR MMA为26 mPa·s），拉伸模量达155 MPa，弯曲模量166 MPa，优于传统甲基丙烯酰化蓖麻油（Castor Oil MMA）。ISO 2409划格试验显示ROEA MMA达到4级，Wolff-Wilborn硬度计测得6H级，表现出优异的涂层性能和耐久性。

　　本研究聚焦于一种新型的木器涂料材料的开发，通过化学修饰方法合成两种具有光固化特性的化合物——甲基丙烯酸化的2-羟基丙基蓖麻油酸酯（2-HPR MMA）和甲基丙烯酸化的蓖麻油酸乙醇胺（ROEA MMA）。这些化合物是基于蓖麻油的结构特性进行优化后的产物，旨在提升其在木器涂层中的应用性能。蓖麻油是一种含有高比例蓖麻油酸的天然植物油，其独特的分子结构赋予了它在材料科学中的广泛应用潜力。

蓖麻油的分子结构中包含一个位于C9-C10之间的双键，这使得其具有一定的流动性，同时，C12位置上的羟基功能团进一步增强了其化学反应活性。这些官能团的存在不仅影响了蓖麻油的物理化学性质，如高粘度和高极性，还为其在不同反应路径下的改性提供了可能性。例如，通过酯化反应可以将蓖麻油中的羟基转化为酯基，从而形成可聚合的前驱体；而通过胺化反应则可生成酰胺基团，这在热固性材料中具有重要意义。

在本研究中，采用了一种高效且环保的合成方法，利用丙烯醇进行酯化反应合成2-HPR，并通过胺化反应合成ROEA。这些中间产物随后被甲基丙烯酸酐进行甲基丙烯酸化，从而形成最终的可固化化合物。整个合成过程通过多种分析手段进行验证，包括核磁共振（NMR）、电喷雾电离质谱（ESI-MS）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线衍射（XRD）。这些分析方法共同确保了合成产物的结构准确性和纯度，为后续性能评估奠定了基础。

在流变学性能方面，研究发现所有甲基丙烯酸化的化合物均表现出比原始蓖麻油更低的粘度。其中，2-HPR MMA在30℃时的粘度仅为26 mPa·s，远低于原始蓖麻油的440 mPa·s。这一显著的粘度下降有助于改善涂层在应用过程中的流动性，从而提高其涂覆效率。此外，这些化合物的流变特性与参考材料——甲基丙烯酸化的蓖麻油（Castor Oil MMA）基本一致，显示出良好的可加工性。

从热稳定性角度来看，热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）提供了深入的见解。Castor Oil MMA表现出最佳的热稳定性，其热阻指数达到了170.5℃，远高于2-HPR MMA和ROEA MMA。这一结果表明，尽管甲基丙烯酸化减少了分子间的氢键作用，但蓖麻油的结构依然保持了较高的耐热性。相比之下，2-HPR MMA和ROEA MMA虽然具有较高的热激活能，但它们的固化行为更为迅速，这表明它们在热固性反应中具有更高的反应活性。

在机械性能方面，2-HPR MMA和ROEA MMA表现出了显著优于Castor Oil MMA的特性。例如，ROEA MMA的拉伸模量达到了155 ± 6 MPa，而Castor Oil MMA仅为9 ± 1 MPa。同样，ROEA MMA的弯曲模量也显著提高，达到166 ± 2 MPa，远超Castor Oil MMA的8 ± 3 MPa。拉伸强度方面，ROEA MMA达到了9.4 ± 0.5 MPa，而Castor Oil MMA仅为0.4 ± 0.1 MPa。这些机械性能的提升表明，2-HPR MMA和ROEA MMA在作为木器涂层材料时具有更强的结构稳定性。

除了机械性能，本研究还通过标准的ISO 2409交叉网纹测试和Wolff-Wilborn测试对涂层的附着力进行了评估。结果表明，ROEA MMA在附着力测试中表现最佳，达到了ISO 2409的第4级评级，而Castor Oil MMA仅达到第0级。这说明ROEA MMA在形成坚固且均匀的涂层方面具有显著优势。此外，Wolff-Wilborn测试进一步验证了这一点，ROEA MMA的硬度达到了6H级别，而Castor Oil MMA仅为B级别，2-HPR MMA为2H级别。

研究还发现，通过不同的化学改性路径，可以得到具有不同性能的化合物。例如，2-HPR MMA由于其分子结构的调整，表现出较低的粘度和较高的机械性能，而ROEA MMA则因其酰胺基团的存在，在附着力和热稳定性方面表现出更优的特性。这些差异主要来源于不同官能团对分子间相互作用的影响，以及它们在固化过程中的行为。

值得注意的是，本研究采用了单一组分的合成策略，避免了传统多组分体系中可能出现的复杂性和成本问题。这不仅提高了合成过程的效率，也简化了最终产品的应用。此外，所采用的催化剂如钾乙酸盐在甲基丙烯酸化过程中表现出良好的选择性和环境友好性，减少了对环境的负担。

本研究的成果为可持续材料的发展提供了新的方向。通过将蓖麻油改性为具有光固化特性的化合物，不仅保留了其天然来源的优势，还通过化学手段增强了其在木器涂层中的性能。这些材料具有广泛的工业应用前景，特别是在环保涂料和复合材料领域。未来，这些化合物可能被进一步优化，以适应不同的应用需求，如增加柔韧性或提高耐候性。

总的来说，本研究通过系统的合成和性能评估，展示了两种新型蓖麻油衍生物在木器涂层中的巨大潜力。它们不仅在机械性能和附着力方面表现出色，而且在热稳定性和加工性能上也具有优势。这为开发高性能、可持续的木器涂层材料提供了重要的理论依据和技术支持。未来的研究可以进一步探索这些材料在实际应用中的表现，以及它们在不同环境条件下的长期稳定性。