基于间苯二酚环氧单体的生物基环氧树脂设计与性能研究：迈向高性能可持续材料

为解决石油基环氧树脂的环境与健康隐患，研究人员以间苯二酚环氧单体(DGER)为生物基替代品，系统研究其与不同酸酐固化剂的交联机制。通过化学流变学分析和ATR-FTIR监测，揭示了自催化交联动力学特性，最终获得玻璃化转变温度(Tg>100°C)、拉伸强度达97.7 MPa的高性能树脂，为开发可持续高性能材料提供新策略。

　　

随着全球对可持续材料的迫切需求，环氧树脂行业正面临重大转型挑战。传统石油基双酚A二缩水甘油醚(DGEBA)不仅依赖不可再生资源，其潜在的健康风险也引发广泛关注。尽管植物油基环氧树脂等生物替代品已取得进展，但其较差的机械性能限制了应用。间苯二酚作为一种可通过葡萄糖发酵获得的芳香二醇，其衍生物间苯二酚二缩水甘油醚(DGER)展现出独特的优势——兼具生物来源的可持续性和芳香环赋予的高性能潜力。

为攻克这一难题，Marotta等人在《Materials Today Sustainability》发表研究，系统探索了DGER与多种酸酐固化剂的交联行为。研究团队采用差示扫描量热法(DSC)筛选最优配方，结合化学流变学与红外光谱联用技术实时监测反应过程，通过动态机械分析(DMA)和力学测试全面评估材料性能。

关键技术方法包括：1) 通过非等温和等温DSC筛选固化体系；2) 采用流变仪-FTIR联用系统同步监测流变行为与官能团转化；3) 基于Kamal自催化模型进行动力学拟合；4) 通过DMA和拉伸测试表征热机械性能；5) 溶剂浸泡实验评估化学稳定性。

研究结果揭示：

1. 1.

   固化行为与动力学

   通过比较衣康酸酐(IA)、马来酸酐(MA)等四种酸酐与不同咪唑引发剂的组合，发现DGER-MA-1,2DMI体系具有最优固化特性。ATR-FTIR显示反应遵循交替共聚机制，酯基形成与环氧/酸酐消耗同步进行。等温实验数据拟合显示自催化特征明显，活化能为63.89 kJ/mol。

2. 2.

   多阶段固化机制

   80°C等温固化时观察到独特的双阶段现象：初期酸酐消耗快于环氧开环，后期出现醚键特征峰(1180-1110 cm^-1)，对应流变测试中的二次黏度增长。温度升高至120°C时两阶段合并，表明酯化与醚化反应同步进行。

3. 3.

   卓越材料性能

   所得树脂展现优异综合性能：T_g达100°C，交联密度达3.7×10^-3 mol/cm³，远超植物油基环氧树脂。力学测试显示其拉伸强度(97.7 MPa)显著优于DGEBA参比样品(45.5 MPa)，且26天溶剂浸泡后凝胶保留率>90%。

这项研究的重要意义在于：首次全面解析了DGER-酸酐体系的固化动力学，证实其可通过可控交联获得高性能生物基材料。所开发的树脂兼具高机械强度、热稳定性和化学耐受性，其性能甚至超越传统石油基产品，为航空航天、电子封装等高端领域提供了可持续解决方案。研究建立的化学流变学-光谱联用分析方法，为复杂交联体系的机理研究提供了新范式。