生物基呋喃-亚胺二醇衍生的聚氨酯复合材料：基于5-HMF的绿色合成与性能表征

本研究针对化石资源枯竭和环境污染问题，创新性地以生物质衍生物5-羟甲基糠醛(5-HMF)为原料，通过席夫碱反应合成呋喃-亚胺二醇，再与二异氰酸酯聚合制备聚氨酯(PU)复合材料。通过FTIR、NMR、TGA等技术证实材料具有优异的热稳定性和半结晶特性，为生物基高分子材料的开发提供了新策略。

　　

随着化石燃料的过度消耗和全球气候变化的加剧，开发可再生资源替代石油基材料已成为当务之急。在众多生物质平台化合物中，5-羟甲基糠醛(5-HMF)因其独特的呋喃环结构和双官能团特性，被誉为"沉睡的巨人"。这种来源于纤维素和半纤维素脱水反应的六碳化合物，不仅能够桥接生物质与石化资源，还可衍生出2,5-呋喃二甲酸(FDCA)等高附加值化学品。然而，如何将这种生物基分子高效转化为具有实用价值的高分子材料，仍是当前绿色化学领域的重要挑战。

Nikhil Borane等研究人员在《Next Materials》发表的研究，开创性地将5-HMF与不同二胺(邻苯二胺、对苯二胺和1,8-萘二胺)通过缩合反应制备出三种呋喃-亚胺二醇单体，再与甲苯二异氰酸酯(TDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)和二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)反应，成功合成了九种聚氨酯(PU)复合材料。这项工作不仅实现了生物废弃物的高值化利用，还为开发环境友好型高分子材料提供了新思路。

研究团队主要采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)确认官能团转化，核磁共振氢谱(¹H NMR)和液相色谱-质谱联用(LC-MS)表征分子结构，通过热重分析(TGA)和差示扫描量热法(DSC)评估热性能，并利用X射线衍射(XRD)分析结晶行为。所有实验均在印度北马哈拉施特拉大学化学技术研究所完成。

在材料合成方面，研究人员首先将5-HMF与二胺以2:1摩尔比在甲醇中反应4-6小时，获得产率83%-86%的三种二醇衍生物(H-OPD、H-PPD和H-NDA)。FTIR谱图中1630-1636 cm^-1处的C=N伸缩振动峰和3305-3351 cm^-1处的-OH峰证实了席夫碱结构的形成。¹H NMR显示亚胺质子(-HC=N-)在7.66-9.55 ppm区间出现特征峰，LC-MS检测到分子离子峰([M+H]⁺ m/z 325.13-325.27)进一步验证了结构。

在复合材料表征中，FTIR分析显示所有PU产物在3200-3300 cm^-1出现-NH特征吸收峰，而2250 cm^-1附近的-NCO峰完全消失，证实了氨基甲酸酯键的成功形成。热分析表明材料具有三阶段分解特性：第一阶段(170-230°C)为氨基甲酸酯键断裂，第二阶段(320-440°C)对应酯段降解，第三阶段(475-615°C)为残余物分解。DSC曲线显示部分样品在199-207°C出现明显吸热峰，表明存在特定相变行为。XRD图谱在2θ≈20°处的衍射峰证实材料具有半结晶特性，这主要源于二异氰酸酯硬段的规整排列。

该研究的重要意义在于：首次系统报道了基于5-HMF的呋喃-亚胺二醇PU复合材料体系，通过精确控制单体结构和交联密度，获得了热稳定性优异(分解温度>170°C)且具有半结晶特性的新型生物基材料。这种将农业废弃物转化为高性能聚合物的策略，不仅减少了石化资源依赖，还为开发生物可降解高分子材料提供了重要参考。特别是材料表现出的可调控结晶行为和热稳定性，使其在包装、涂层等领域具有广阔应用前景。

研究团队在讨论中指出，相比传统石油基PU，这类生物基材料在保持机械性能的同时更具环境友好性。未来工作将聚焦于优化合成工艺、扩大生产规模，并深入研究材料结构与性能的关系。这项成果为生物质资源的高值化利用开辟了新途径，对推动绿色化学和可持续发展具有重要意义。