一、生物基聚氨酯研究的必要性
对于聚氨酯而言，其被人们称呼为“第五大塑料”，因其出色的耐磨、抗撕裂、抗挠曲性而备受赞誉，其应用范围十分广泛，作为高分子材料的聚氨酯，其可以在塑料、橡胶、纤维、涂料、胶黏剂以及其他多种方面得以应用，是一种十分优越的有机合成材料。然而，由于传统的原材料来自石油，这些材料无法回收利用，而且具有极强的毒性，废弃的聚氨酯无法被完全分解，还会给环境带来严重的污染，因此，它的应用受到了严重的限制。近年来，人们对生物基材料的重视程度日益提高，特别是生物基聚氨酯，因为其具有可再生性、低成本、易于回收利用、环境友好等优势，故而应用范围更加广泛，因此围绕生物基聚氨酯展开研究十分有必要，接下来将从以下几个方面分别介绍。
二、生物基多元醇
聚氨酯在制造过程中，使用了大量的低聚物多元醇。通过利用植物油、生物发酵产物以及其他动植物提取物等多种生物基原材料，可以有效地取代传统的石油基多元醇，这一类新型材料在生物基聚氨酯研究与应用方面具有重要的意义。
（一）植物油多元醇
对于植物油多元醇而言，其包含双键和酯基等活性官能团，可以通过化学改性来合成生物基多元醇，其主要分布于蓖麻油、大豆油等中。这类多元醇的合成可以通过多种不同的方法来实现，其中以环氧化开环法、臭氧氧化法和氢甲酰化法为代表的属于同一类型的方法，主要是针对双键官能团进行改性处理；另外是以酯交换法和氨解法等为代表的一类方法，其可以对酯基官能团进行有效的改性。采用多种制备技术，可以获得各种多元醇。在众多的技术手段中，环氧化开环法具有最高的经济效益，并且已被广泛应用于工业生产。通过对植物油多元醇的深入研究，不仅可以设计出更加优质的聚氨酯配方，而且还可以有效地实现生物基原料的替代目标。近年来，科学家们一直在努力研究植物油分子链段的结构和功能，并尝试通过调整配方来提高它们的性能；改进传统多元醇的性能，以满足市场需求；研究不同类型的聚氨酯材料，包括弹性体、泡沫和涂层，以及其特性；开拓新的应用领域。
蓖麻油不仅仅是一种植物油多元醇，它还可以通过醇解、酯交换进而获取到有关多元醇的衍生物，另外还能够在双金属催化剂的影响下进行开环聚合反应进而得到聚醚多元醇，无论是蓖麻油亦或者是它的衍生物多元醇，借助这些原料所获得的聚氨酯材料，能够在热稳定性、耐水解性以及耐化学品性能方面表现出优越的特性。故而，蓖麻油是一种极具价值的原料，其在多种领域的应用均十分广泛，从制作聚氨酯泡沫、弹性体、胶粘剂到涂料，都能够满足不同的工业生产要求。
大豆油多元醇的合成技术已经取得了长足的进步，它不仅能够替代石油基聚醚，而且还有着极大的应用潜力。利用多种先进的技术手段，我们可以合成大豆油基多元醇，而这些聚氨酯在交联度、刚性、拉伸强度和亲水性能等多个方面都有着显著的不同。Paraskar等人利用油酸开环合成技术，以环氧大豆油为原料，成功地合成出大豆油基聚酯多元醇，随后，他们又将其与二戊烯、1、6-亚己基二异氰酸酯（HDI）发生反应，最终制备出一种具有优异性能的PUR涂层。通过实验，我们发现这种生物基聚氨酯的交联密度和铅笔的硬度比使用石油基多元醇制成的样品更加出色，具有更高的性能；由于其特殊的长链脂肪酸结构，使得其吸水性、玻璃化转变温度（Tg）和热失重温度都显著降低。
橄榄油在欧盟和地中海地区的重要性不言而喻，其中不仅含有55%~83%的单不饱和脂肪酸，还有3.5%~21%的多不饱和脂肪酸，而且其不饱和双键的特性使其成为一种理想的多元醇原料。研究人员Coman和其他人通过使用双氧水来氧化橄榄油中的双键，制备出了一种新型的多元醇，它能够有效地替代化学石油基多元醇，替代率高达35%，为聚氨酯软泡配方提供了一种新的选择。
棉籽油具有极高的经济性和可获得性，它的生产成本低，而且大多数情况下都可以用作食用油，无需担心竞争。棉籽油中不饱和脂肪酸的含量高达73.6%，因此，利用环氧化羟基化反应制备多元醇，另外还可以从双键入手，对其他功能化加以改性。Boga等通过将马来酸酐用于改性棉籽油，从而获得了马来酸改性棉籽油（MACSO），并将其与异氰酸酯反应生成聚氨酯预聚体，随后，通过蓖麻油的扩链，最终得到了聚氨酯酰亚胺。研究发现，当MACSO含量上升时，所制备的材料的热稳定性、Tg、拉伸强度以及耐腐蚀性能都有显著改善。
（二）聚丙交酯多元醇
从玉米等植物中提取淀粉，经过糖化反应，可以制备出高纯度的葡萄糖，并利用乳酸作为原料，制备出具有良好性能的丙交酯。采用二元醇和三元醇的混合物，丙交酯经历开环聚合反应，最终形成聚丙交酯二醇（聚乳酸）。近年来，聚丙交酯二醇因其出色的可降解性而成为聚氨酯领域的重要原料，受到了业界的广泛关注和高度重视。
Cui等研究学者表示，使用聚丙交酯-己内酯共聚物二醇制备的聚氨酯材料，其热稳定性、力学特性以及对人体体温的适应性都优于单纯的聚丙交酯二醇，而且还具有出色的形状记忆能力，以及与生物体的兼容性，因此，这种材料在生物医学领域具有广阔的发展空间。
Bote以及他的研究团队利用10%~40%的聚丙交酯多元醇构建出生物基聚氨酯泡沫，它们的自由泡的曲线形态和普通聚醚多元醇的没有太大的区别，而且经过湿压缩变定检验，证实了它们的优越性能，为汽车座椅领域的使用提供了可靠的保障。
随着技术的进步，聚丙交酯二醇在国内的商业化产品越来越多，它们被广泛应用于水性聚氨酯乳液、人造革等多个领域，然而，其在这些方面的研究仍然不足。
（三）木质素基多元醇及其他
围绕木质素展开改性处理，则可以以此为原料生产出多种多样的木质素基多元醇。然而，木质素多元醇的颜色偏深，分子量分布不均匀，溶解度较低，羟基含量和种类也有很大的不同，而且它们和异氰酸酯的反应活性要低，而且它们的体系相容性也很差，因此，若是利用木质素充当聚氨酯的原料仍然还存在较多的不足，需要通过深入研究克服较多的困难。怎样能够确保木质素提取的高效性、可持续、经济性以及改性木质素，已成为当今学术界的热门话题。Fidan等学者通过硫酸催化剂处理，将聚乙二醇-400与甘油混合，将木质纤维素液化，生成生物基多元醇，最终制成一种具有优异性能的生物基聚氨酯硬泡复合材料，它不仅可以应用于建筑，还可以作为绝缘材料。Samavi与其他研究人员利用半纤维素水解液作为原料，经过发酵和化学酶处理，成功地将木质纤维素转变为多元醇，这一创新的方式开辟出一条可以利用木质纤维素制备多元醇的新路线。
此外，生物基方法制备的乙二醇、丁二醇、丙二醇和己二醇等低分子物质，可以与多种二元酸发生化学反应，生成聚酯多元醇，而且有些物质也能够经由缩聚反应制备出聚醚多元醇，这是生物基多元醇技术的一种重要的发展方向。
三、生物基异氰酸酯
多异氰酸酯作为合成聚氨酯的第二重要原料，其生物基的研究和应用不仅有助于减少对化石燃料的依赖，而且还能够极大地改善材料的环保性能。通过不同的合成技术，可以从大豆油、蓖麻油、油酸、氨基酸和赖氨酸中分离出多异氰酸酯。基于相关技术不断成熟化的背景下，三井化学公司的1、5-五亚甲基二异氰酸酯、法国Vencorex公司的TolonateXFLO100等多种生物基多异氰酸酯被商业化，它们不仅能够取代传统的异氰酸酯，而且能够在保护环境的前提下，大大降低生产成本。通过使用低黏度棕榈油多元醇和TolonateXFLO100，Sahoo和其他研究人员在实验室中进行了生物基聚氨酯的合成，并探讨了不同的催化剂和反应比例对产物性能的影响。
总结
相较于石化基PUR，生物基聚氨酯具有更多的优势，如来源可持续、价格实惠、易于降解等， 因此受到了越来越多的关注和重视。生物基聚氨酯的生产过程中， 最常见的原材料是植物油等，其储存量优越，因此被广泛应用于生物基聚氨酯的生产中。本文详细探讨 了合成聚氨酯的多种生物基材料， 对其展开综合分析，旨在为“绿色”聚氨酯的研究与应用提供有益的建议。
参考文献：
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