POSS改性松脂基NIPU聚合物材料的合成及构效关系研究

As a new kind of environment-friendly polyurethane material, biomass based nonisocyanate polyurethanes (NIPUs) have excellent properties, such as biodegradable, good environment compatibility, the process of preparation and utilization safely and so on. In this study, bio-based cyclic carbonates synthesized from forestry renewable resources such as rosin and terpene, can react with amino-oligomer to form environmental compatible NIPUs. The NIPU materials can be modified by polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) with reactive groups to form POSS/NIPU and POSS/HNIPU (hybrid nonisocyanate polyurethane). The preparation and modification methods of NIPU materials are studied, the molecular structure and morphology of the materials are characterized, the polymer physical and chemical properties of materials are analyzed, the crosslinking reaction characteristics and the forming mechanism of polymer materials are investigated, and the effects of POSS on the formation and properties of NIPUs are researched, as well as the inherent law of the structure-function relationship between polymer molecular structure and properties is revealed. Carrying out related research can provide an effective way for deep processing and utilization of forestry biomass resources, and it’s also provide a theoretical guidance for the development of environment-friendly and high performance biomass based NIPU materials.

生物质基非异氰酸酯聚氨酯（NIPU）是一种环保聚氨酯新材料，具有可生物降解、环境相容性好以及制备与使用工艺安全、无毒等优良特性。本项目以来源于林业可再生松脂资源的松香、萜烯基环碳酸酯为原料，与胺基化合物交联制备新型生物质基NIPU，并采用官能化多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）共聚改性，制备POSS/NIPU及POSS/HNIPU（杂化非异氰酸酯聚氨酯）纳米复合材料。研究聚合物材料的合成、改性方法，表征材料的分子结构与形态，分析材料的高分子物理与化学性能，探讨聚合物材料的交联反应特性与形成机理，考察POSS改性对聚合物材料形成过程及性能的影响，揭示聚合物分子结构与性能构效关系的内在规律，实现聚合物材料性能的有效调控。开展相关研究，不仅可为松香、松节油等林业生物质资源的高效深加工利用探索新的途径，还可为环境友好高性能生物质基NIPU聚合物材料的开发提供良好的理论研究与应用技术基础。

非异氰酸酯聚氨酯（NIPU）是由环碳酸酯与多元胺反应生成的新一代聚氨酯材料。与传统聚氨酯材料相比，NIPU不以剧毒性、挥发性的异氰酸酯为原料，制备与使用工艺安全环保，已成为国内外高分子材料领域关注及研究的热点。本项目按照研究计划，结合林业生物质资源开发利用、温室气体CO2资源化利用及多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）改性聚合物材料等领域的研究热点，以来源于林业可再生资源的松香、萜烯等生物质基环碳酸酯为原料，与氨基化合物反应创制新型生物质基NIPU，并针对NIPU材料耐水性能差、应用范围受到限制的问题，采用官能化POSS共聚改性，制备NIPU/POSS复合材料。重点研究了松香、萜烯等生物质基NIPU聚合物材料的高效制备及改性方法，表征了材料的分子结构与形态，分析了材料的高分子物理与化学性能，考察了胺固化剂结构类型、POSS用量及其化学结构、环碳酸酯官能度等因素对NIPU聚合物材料性能的影响，揭示了聚合物材料分子结构与性能关系的内在规律，实现了聚合物材料性能的有效调控。研究表明，萜烯基NIPU由于其线性结构附着力、铅笔硬度和柔韧性较差，而松香、没食子酸等生物质基NIPU由于其分子内形成交联网状结构从而具有良好的抗冲击性能、柔韧性、附着力及铅笔硬度；环碳酸酯与氨基反应生成氨基甲酸酯过程中生成含有伯醇或仲醇结构的两种化合物，从而使NIPU材料耐水性能较差，其中，脂环胺固化得到的NIPU吸水率较低，而聚醚胺D230、三乙烯四胺固化得到的NIPU由于其分子结构中存在–O–、–NH–等极性基团，从而表现出较强的吸水性能；官能化POSS与NIPU基体均表现出良好的相容性，未发生相分离，且所得NIPU/POSS复合材料的耐水性能、玻璃化转变温度、热稳定性及力学性能与改性前相比均得到显著提高。本项目的开展为林业生物质资源的高效、高值化利用及高性能生物质基NIPU聚合物材料的开发提供了良好的理论和技术基础。