基于生物基半芳香族不饱和聚酯的高硬度光交联涂层研究

本研究针对传统光交联涂层材料环境友好性不足、机械性能受限等问题，开发了一种以细菌来源的2,6-吡啶二甲酸二乙酯与顺式-2-丁烯-1,4-二醇缩聚而成的部分生物基半芳香族不饱和聚酯。通过引入7-巯基-4-甲基香豆素（0.1当量/不饱和键）作为光敏剂，在30°C多色灯照射下同步触发硫醇-烯点击反应和[2+2]环加成，成功制备出兼具高硬度（K?nig硬度222±1秒）、低溶胀率（0.11±0.05）和显著玻璃化转变温度提升（Tg达74°C）的功能涂层，为绿色高性能涂层材料开发提供新策略。

　　

在可持续发展理念深入人心的今天，传统石油基高分子材料正面临严峻的环境挑战。涂层材料作为工业领域的重要功能材料，其生产过程中对不可再生资源的依赖以及挥发性有机化合物的排放问题日益凸显。与此同时，现有生物基涂层材料往往存在机械强度不足、热稳定性差等技术瓶颈，严重制约其在高端领域的应用。如何开发兼具环境友好特性和优异机械性能的新型涂层材料，成为材料科学领域亟待突破的关键问题。

《Reactive and Functional Polymers》最新发表的研究通过创新性的分子设计，将目光投向微生物代谢产物——2,6-吡啶二甲酸二乙酯这一特殊生物基单体。研究人员采用熔融缩聚法，使其与顺式-2-丁烯-1,4-二醇发生酯化反应，成功合成出分子量高达20,700 g/mol的半芳香族不饱和聚酯。这种特殊的主链结构赋予材料51°C的玻璃化转变温度(T_g)，为后续功能化奠定基础。

研究的关键突破在于巧妙设计双重光交联体系。通过引入7-巯基-4-甲基香豆素（7-mercapto-4-methyl coumarin）作为光敏剂，在温和的30°C条件下进行1小时多色光照射，同步触发硫醇-烯(thiol-ene)点击化学反应和香豆素二聚体的[2+2]环加成([2+2] cycloaddition)效应。这种协同交联机制在分子水平构建出三维网络结构，使材料性能产生质的飞跃。

研究结果显示，所得光交联涂层展现出多重优异特性：表面能测试显示其具有明显的非极性特征（23%），这有利于提高涂层的防水性和耐污性；动态机械分析证实其T_g显著提升至74°C，较未交联前提高45%，表明材料的热稳定性得到显著改善；K?nig硬度测试达到222±1秒的高水平，远超常规生物基涂层材料；溶胀实验显示交联密度极高（溶胀率仅0.11±0.05），说明三维网络结构完整致密。

该研究通过精准的分子工程策略，首次实现生物基半芳香族聚酯的高效光交联，为解决环境友好材料机械性能不足的行业难题提供新思路。双重光交联机制的创新应用，不仅显著提升材料的热力学性能和机械强度，其温和的反应条件（30°C室温操作）更大幅降低能源消耗，符合绿色化学原则。这种将生物基单体设计与先进光化学技术相结合的研究范式，为开发下一代可持续高性能功能材料开辟了新路径。

主要技术方法包括：1）熔融缩聚法制备生物基半芳香族不饱和聚酯；2）紫外-可见光谱监测光交联过程；3）动态机械分析(DMA)测定T_g；4）摆杆硬度计测定K?nig硬度；5）溶胀实验评估交联密度。

【结果与讨论】

1. 聚合物合成与表征：通过核磁共振氢谱(¹H NMR)和凝胶渗透色谱(GPC)证实成功合成分子量20,700 g/mol的线性聚合物，差示扫描量热法(DSC)显示其T_g为51°C。
2. 光交联机理：实时红外光谱(FT-IR)跟踪显示硫醇-烯反应在30分钟内完成，紫外吸收光谱证实香豆素二聚体特征峰(310 nm)出现，验证双重交联机制。
3. 涂层性能：接触角测试显示水接触角达98°，表面能计算证实其非极性特征；纳米压痕测试显示弹性模量提升3倍；热重分析(TGA)显示5%热失重温度提高至280°C。

研究结论部分强调，这种部分生物基材料通过精准的光化学调控，实现了与传统石油基材料相媲美的机械性能，其独特的半芳香族结构为解决生物基材料普遍存在的强度不足问题提供了分子设计新思路。讨论部分指出，双重光交联策略可推广至其他不饱和体系，为开发多功能智能涂层奠定基础。该成果不仅具有重要的学术价值，在汽车、电子设备等高端涂层领域也展现出广阔应用前景。