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[交流] 张超群教授带你了解植物油基高分子材料的发展及应用

关于植物油
植物油是一大类天然有机化合物，定义为混脂肪酸甘油三酯的混合物（Mixture of mixed triglycerides）。天然油脂一般是由95%的脂肪酸甘油三酯和极少且成分复杂的非甘油三酯组成。植物油作为低成本生物质资源，具有产量充足（全世界年产量达1.4亿吨）、可生物降解、可再生等优点，被广泛应用于合成各种生物基高分子材料，如聚酰胺、聚氨酯与环氧树脂等，并将这些油脂高分子广泛应用于橡胶、涂料、胶黏剂和弹性体材料等领域。
关于植物油基高分子材料
植物油基高分子原料来源广泛，具有良好的生物相容性、可降解性和较均衡的机械性能，是重要的生物质高分子材料。此外，高性能植物油基高分子材料的发展还能够解决废弃油脂所带来的环境问题和食品安全问题，兼具科学意义和现实意义，因此成为近年来国内外学术研究和应用开发的热点。
植物油基高分子材料的应用
1.植物油基高性能树脂
利用价格低廉的植物油制备高性能树脂，对树脂产业的可持续发展来说具有十分重要的意义。安徽农业大学汪钟凯教授课题组在前期制备基于植物油的热塑性高分子的基础上，设计合成了一系列热塑性植物油环氧高分子。将植物油转化为环氧高分子，随着单个高分子上环氧基团的数量的增加，其热固性树脂的机械性能也得到了大幅提升。西南大学曾建兵教授课题组针对植物油基高分子由于高度交联的柔性网络结构导致低强度与低韧性问题，提出了在引入刚性结构的同时降低交联密度，同时实现了植物油基高分子材料的增强与增韧的新思路，解决了植物油基高分子材料增强与增韧通常难以兼得的问题。
2.植物油基油墨
早在15世纪末就已出现了植物油基油墨。当时大豆油、棉籽油、亚麻仁油、红花籽油、桐油、葵花籽油等都有应用到油墨配方中，但随着印刷速度的加快，具有快干特性的石油基油墨迅速取代了干燥缓慢的植物油基油墨。20世纪70年代，考虑到石油危机、工人的安全以及环保问题，植物油基油墨又重新回到人们的视线。
3.植物油基涂料
以植物油为原料的涂料，除油脂涂料外还有酯胶、酚醛、沥青等油基涂料品种。醇醛树脂是油脂用量最多的合成树脂，也是用量最大的涂料树脂。此外，植物油及脂肪酸还用于氨基醇酸、环氧酯、聚氨酯、有机硅和有机氟改性醇酸涂料中，按过去的18大类分类方法计，使用植物油及脂肪酸做原料的涂料至少有10大类。

4.植物油基润滑剂
植物油是最早使用的润滑油品种之一，早在公元前1650年就已使用。植物油具有优良的润滑性能，黏度指数高，无毒和易生物降解，而且可以再生。
我国在绿色润滑剂方面的研究起步较晚，但随着对环境友好润滑剂重视程度和需求的不断增加，中国科学院兰州化学物理研究所、上海大学、石油化工科学研究院、后勤工程学院等单位在20世纪80年代后期陆续开展相关研究工作。
5.植物油基聚氨酯
植物油基聚氨酯被誉为聚氨酯发展中最重要的技术创新之一。植物油基多元醇是植物油双键经化学改性引入羟基制备获得，它的价格便宜、官能度高，聚合产品的理化性能优异。植物油基聚氨酯材料不但机械性能可与相应石油基材料媲美，而且耐热分解与热氧化性能更佳，生产成本更低，因此，在欧美市场的销售量以每年30%快速增长。植物油基聚氨酯的应用领域涉及包装材料、绝缘材料、汽车、农用拖拉机以及高速公路、桥梁和铁路的相关设备。
6.植物油基聚酰胺
聚酰胺(PA，俗称尼龙)主要是由二元酸与多元胺缩聚而成，其中二元酸可以从植物油中合成获得，也就是植物油基二聚酸。植物油二聚酸可以通过植物油脂肪酸发生Diels-Alder反应来合成，植物油二聚酸的合成目前已工业化，其中更多的研究是利用不同的植物油合成二聚酸，以及利用不同的催化剂来提高二聚酸的收率，并降低反应所需要的高温高压的条件。
7.植物油基聚酯增塑剂
植物油基增塑剂具有的显著优点是生物可降解性良好、价格低廉、原料可再生、原料不依赖石油，这类增塑剂适用于对安全性、卫生性、环保性要求较高的塑料制品，如医疗器械、儿童玩具、食品包装材料等。
植物油基高分子材料发展趋势
1. 利用价格更低的非干性油制备性能更加优越的聚合物，进一步降低产品的生产成本，提高植物油基化合物的市场竞争力。
2. 开发植物油基化合物新品种，开拓新的应用领域。
3. 利用无机刚性与热稳定材料，开发高性能聚合物-无机纳米复合材料，制备出高性能工业材料。
植物油基高分子材料目前存在问题
1. 产品品种陈旧单一，植物油应用范围仍然局限于几种传统产品，新产品开发力度严重不足，植物油使用只有数量增长，没有质的提高。
2. 生产技术水平落后，产品多为污染严重、附加值低的低档产品。
3. 国外植物油基化合物在一些领域已经开始逐步替代传统石油产品化合物，而我国植物油基化合物的质量和相应石油产品相比，仍然有较大差距，缺乏竞争力。
4. 国内植物油基结构高分子材料的研发严重落后于欧美国家，很多领域仍然是空白。
5. 用于食品药物包装、药品缓释、医疗设备等领域的高附加值无毒植物油基聚合物功能材料，在欧美市场需求量很大，而该产业的发展在我国未能受到应有的重视。

参考资料：何鑫, 吴桂英, 闫云君. 植物油基平台化合物及高分子材料研究进展. 生物工程学报, 2017, 33(5): 701-719

为了更好的了解植物油基高分子材料， “2021绿色复合材料论坛”特诚邀华南工业大学张超群教授莅临本次大会，分享《植物油基高分子材料的创制与应用》主题报告。

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