基于汉森溶解度参数（HSP）评估合成与天然多元醇在聚氨酯配方中的相容性：多变量分析与可持续材料设计

这篇研究通过汉森溶解度参数（HSP）和主成分分析（PCA），系统评估了合成（如PEG、PCL）与生物基多元醇（如蓖麻油、环氧化大豆油）的相容性。研究揭示了分子量（Mw）和化学结构对溶解度参数（δd/δp/δh）的影响，提出HVK与Hoy方法的差异，为设计高性能、可持续聚氨酯（PU）体系提供了理论指导。

　　

摘要

本研究通过汉森溶解度参数（HSP）结合主成分分析（PCA），全面评估了合成与生物基多元醇在聚氨酯（PU）体系中的相容性。研究覆盖了聚醚（PEG、PPG）、聚酯（PCL、PBA）、聚碳酸酯（PPC、PTMC）及改性植物油（蓖麻油、环氧化大豆油），揭示了分子量（M_w）和化学结构对溶解度参数（δ_d、δ_p、δ_h）的影响规律。

理论背景

热力学理论

二元混合物的吉布斯自由能（ΔG_mix）由焓变（ΔH_mix）和熵变（ΔS_mix）决定，其负值为相容性判据。HSP将总溶解度参数（δ）分解为色散力（δ_d）、极性力（δ_p）和氢键（δ_h）分量，通过Bagley图和距离参数（D₁₂）量化相容性。

基团贡献法

HVK方法通过摩尔吸引常数计算HSP，而Hoy方法引入四元加和函数，更适合高分子量体系。例如，PEG-500的δ_h在Hoy法中为9.2 MPa^1/2，显著高于HVK法的7.6 MPa^1/2，体现方法差异。

结果与讨论

分子量影响

合成多元醇的HSP在M_w >800 g/mol时趋于稳定。例如，PCL的δ_p从M_w=500 g/mol时的10.5 MPa^1/2降至4000 g/mol时的9.8 MPa^1/2，表明端基效应随链长减弱。

天然与合成多元醇对比

天然多元醇（如蓖麻油）因次级羟基和非极性链（如-CH₂-）占比高，δ_p（2.2 MPa^1/2）显著低于合成多元醇。PCA显示，环氧化大豆油（ESO）与PEG-500聚类，而改性棕榈油与PPG-4000相容，反映极性匹配规律。

方法学差异

HVK低估天然多元醇的极性，如蓖麻油的δ_p在HVK法中为2.2 MPa^1/2，而Hoy法为8.5 MPa^1/2。这种差异导致Hoy法预测的相容范围更广，如PEG/改性棉籽油组合的D₁₂仅0.9 MPa^1/2。

结论

PCA分析表明，PC1（50.32%方差）关联分子量与密度，PC2（33.46%）反映极性与氢键。合成多元醇的规律性变化与天然多元醇的分散性形成鲜明对比。研究为生物基PU的分子设计提供了兼容性图谱，例如推荐PCL/蓖麻油（D₁₂=2.0 MPa^1/2）和PEG/ESO（D₁₂=1.1 MPa^1/2）作为可持续配方候选。