从亚麻籽油到智能NIPU聚合物：可持续、可重塑、自修复涂层的创新设计与性能研究

这篇研究报道了以环氧化亚麻籽油(ELSO)、Priamine 1071二聚酸胺和含二硫键的4-APDS为原料，通过非异氰酸酯聚氨酯(NIPU)合成技术开发的新型生物基弹性体。该材料通过动态二硫键(S-S)和环碳酸酯(CCGTGE)交联网络实现自修复和热重塑功能，其机械性能（拉伸强度0.31-0.56MPa，断裂伸长率141.6%-295.6%）可通过交联密度精准调控。研究采用FTIR、NMR、TGA等手段证实材料结构，SEM显示含10% CCGTGE的NIPU-6在80℃下实现切口完全愈合，三次热压循环后仍保持32.9%延伸率，为可持续涂层材料开发提供新思路。

　　

1 引言

石油基聚合物的环境问题催生了以亚麻籽油等可再生资源为原料的非异氰酸酯聚氨酯(NIPU)研究。传统聚氨酯生产依赖有毒异氰酸酯，全球年产量超2000万吨占塑料总量7%。本研究创新性地采用环氧化亚麻籽油(ELSO)与CO₂反应生成环碳酸酯(CCLSO)，再与Priamine 1071二聚酸胺交联，通过引入4-氨基苯二硫醚(4-APDS)构建动态S-S键，实现材料自修复和闭环回收。

2 实验方法

2.1 材料合成

亚麻籽油(LSO)经气相色谱分析显示含48.5%亚麻酸(C18:3)，采用乙酸/过氧化氢体系在60℃下反应8小时获得ELSO（环氧值7.2%）。随后在四丁基溴化铵(TBAB)催化下与CO₂在160℃反应18小时制备CCLSO，其环碳酸酯特征峰在FTIR 1790cm^-1和¹³C NMR 154ppm处确认。

2.2 NIPU网络构建

设计6组配方（NIPU1-6），固定CCLSO:Priamine 1071=1:1，变量为CCGTGE交联剂(0%-10%)和0.5% 4-APDS。通过120℃热固化24小时获得厚度2.5mm的弹性体，凝胶含量测试显示NIPU6达93.7%。

3 结果与讨论

3.1 结构表征

FTIR谱图中，NIPU2在1500cm^-1处出现氨基甲酸酯特征峰，NIPU6在1250cm^-1处峰强增加证实交联网络形成。¹H NMR显示ELSO的环氧质子峰(2.8-3.2ppm)在CCLSO中消失，转为环碳酸酯特征峰(4.4-4.8ppm)。

3.2 热力学性能

DSC测得玻璃化转变温度(T_g)从NIPU1的-13.78℃升至NIPU6的-2.28℃。TGA显示5%热失重温度从319.5℃(NIPU1)提升至328.9℃(NIPU6)，800℃残炭量达0.449%。DMA储能模量分析表明，NIPU6在-80℃时模量比NIPU1高81%。

3.3 机械性能

拉伸测试显示随CCGTGE含量增加：

• 杨氏模量从0.27MPa(NIPU1)增至0.49MPa(NIPU6)

• 断裂伸长率从295.6%降至141.6%

• 接触角从92.32°升至103.2°，证实疏水性增强

3.4 自修复与再加工

ESEM显示NIPU6在80℃下12小时实现表面划痕完全愈合。三次热压循环(100℃/1MPa)后，含S-S键的NIPU2仍保留76.9%延伸率，而无S-S键的NIPU1降至53.4%。

4 结论

该研究成功构建了基于亚麻籽油的动态共价网络NIPU，通过CCGTGE交联密度和4-APDS二硫键的协同作用，实现材料机械性能（强度0.56MPa）与自修复效率（80℃愈合）的可控调节，为开发兼具可持续性和功能性的智能涂层提供新范式。