生物基水性聚氨酯涂料制备原料简介

水性聚氨酯涂料具有良好的机械性能和耐候耐化学品性能在许多领域已经获得了工业化应用，但绝大多数水性聚氨酯的制备还是来源于石化资源，包括二异氰酸酯、多元醇、扩链剂等。生物基材料以可再生资源为原料，具有可再生、生物可降解以及环境友好等优点。是目前实现碳中和和碳达峰的重要路径，以生物基原料制备聚氨酯涂料是近年的研究热点。

水性聚氨酯的制备主要原料包括二异氰酸酯、聚合物多元醇和小分子扩链剂等。目前这几类原料均已经有相应的生物基替代原料可以应用。

生物基水性聚氨酯制备主要原料

1、生物基二异氰酸酯:

1,5-戊二异氰酸酯(PDI):也称为五亚甲基二异氰酸酯，主要以非粮食基淀粉糖为原料经生物发酵制备赖氨酸，然后将赖氨酸用生物脱羧酶制备出1,5-戊胺，最后通过光气法制备出脂肪族二异氰酸酯 PDI。其70%的碳质量分数来自于生物基可再生资源，具有较高的生物质含量，其性能也十分优异;目前PDI主要由科思创公司、三井化学株式会社等生产，国内的甘肃银光聚银化工有限公司也已开发成功。

L-赖氨酸乙基酯二异氰酸酯(LDI):主要是以L-赖氨酸，通过光气法合成，首先将的羧基变成酯基保护后，L-赖氨酸再与光气反应生成赖氨酸二异氰酸酯。L-赖氨酸是一种生物质来源的氨基酸，其中75%(质量分数)的碳由生物质提供，制备得到的 LDI生物质含量也非常高。

二聚酸二异氰酸酯(DDI):使用植物油衍生物二聚脂肪酸(二聚亚麻油酸、二聚妥尔油酸、聚桐油酸等)制备而成，是含有 36 个碳原子二聚脂肪酸主链的脂肪族异氰酸酯。DDI具有弹性好、粘度低、毒性低、不黄变、低水敏感性等优点。目前巴斯夫公司商业化 DDI1410产品91%(质量分数)的碳由生物质提供。

2、生物基聚合物多元醇

据统计，用生物基多元醇替代石油基多元醇，能源消耗降低 23%非可再生资源消耗降低 61%，二氧化碳排放量减少 36%。

杜邦公司首次采用玉米淀粉糖基因工程菌发酵法生产1，3-丙醇，在此基础上合成了聚1，3-丙二醇聚醚，牌号为Cerenol，其相对分子质量为500~3,000，性能与聚四氢味喃(PTMEG)相当，可用于合成水性聚氨酯涂料，它是一种完全生物基的低聚物二元醇。

Stahl 公司和 Elvance 公司合作开发了基于 Elevance 公司的 C18多元醇的高性能涂料。这种高性能生物基料不仅能够保持涂层的柔韧性，还能提高涂层的抗水解稳定性。通过C18 多元醇技术Elevance 公司正在扩大生物基高性能多元醇在Relca 和Permutex 系列水性聚氨酯产品中的使用。

巴斯夫公司生产的 Sovermol系列生物基多元醇，是将含有羟基的植物油经醇解、酯交换，再精制后制得的含有不同羟值和官能度的大分子多元醇，羟基官能度在 2~3.5，可用于水性聚氨酯胶粘剂涂料等领域。

三菱公司推出了全球首个由植物基原料制备的新型生物基聚碳酸酯二醇(PCD)产品。与现有的PCD产品相比，新产品具有机械强度高、低温环境下柔韧性好、耐化学药品腐蚀、耐磨损及硬度高等特点。使用该产品制备的聚氨酯应用广泛，包括汽车表面涂层、智能手机和笔记本电脑的树脂涂布等

3、扩链剂

二醇扩链剂: 生物基 PDO 可以通过从玉米糖浆或甘油等不同的生物质中发酵获得。PDO 可由甘油发酵产生，在甘油脱水酶的催化下将甘油脱水为 3-羟基丙二醛;然后，由 PD0 氧化还原酶将 3- 羟基丙二醛还原为 PDO;BioAmber公司通过玉米、谷物等生物质产生的糖类发酵生产生物基丁二酸，结合杜邦的催化剂技术制备生物基1，4-丁二醇。

二胺扩链剂: 脂肪族二胺是合成聚氨酯的一种重要的扩链剂。赖氨酸、精氨酸鸟氨酸由于其自身的结构可以用来合成1,3-丙二胺、1,4-丁二胺等。赖氨酸含2个氨基和1个羧基，可用作亲水扩链剂。1,4-丁二胺还可通过生物质衍生的琥珀酸来生产，也可以通过工程大肠杆菌菌株发酵糖类来合成。