高性能、UV固化和自修复的蓖麻油基涂层的制备

申报人：李春艳申报日期：2025-01-05

基本情况

所属批次:

2025年批次

项目名称:

高性能、UV固化和自修复的蓖麻油基涂层的制备学生申报

项目类型:

创新训练项目

所属学科门类:

工学

所属专业类:

材料类

项目来源名称:

学生来源于教师科研项目选题

项目归属学院:

项目期限:

一年期

项目简介:

涂层在人类日常生活和工业中发挥着重要作用。紫外线（UV）固化涂层具有高效，经济，节能和环保的特点，被认为是一种绿色的工业技术。然而，在使用中涂层难免会受外界损伤，从而产生划痕和裂纹，最终导致其功能丧失和寿命缩短。同时，传统UV固化涂层需要加入光引发剂，导致涂层性能下降。针对以上问题，本项目将硫辛酸引入生物蓖麻油基涂层中，实现无光引发剂UV涂层的制备，实现UV光照自修复，同时减少涂层生产对石油资源的依赖。

负责人曾经参与科研的情况:

从大二起一直参与生物基交联网络的合成与制备实验。

指导教师承担科研课题情况:

广西自然科学基金，在研，10万

指导教师对本项目的支持情况:

支持

项目级别:

校级

项目成员

序号	学生	所属学院	专业	年级	项目中的分工	成员类型
1	李春艳	材料科学与工程学院	高分子材料与工程	2022	调控把握项目的进展，主要负责材料的制备与撰写结题论文	第一主持人
2	安俊吉	材料科学与工程学院	高分子材料与工程	2022	蓖麻油的结构表征	成员
3	张雪娇	材料科学与工程学院	高分子材料与工程	2022	蓖麻油基涂层的性能测试	成员
4	覃思琴	材料科学与工程学院	高分子材料与工程	2022	蓖麻油基涂层的制备	成员

指导教师

序号	教师姓名	所属学院	是否企业导师	教师类型
1	曾艳宁	材料科学与工程学院	否	第一指导教师

立项依据

研究目的:

紫外线（UV）固化涂层因其快速固化、高效率、无溶剂等优点，在电子产品制造、包装印刷、木材涂层、塑料涂层和纸张涂层领域中得到广泛应用。UV技术不仅提高生产效率，还因其环保特性而受到重视。随着环保法规的日益完善和环保要求的提高，UV固化涂料因其低挥发性有机物（VOCs）排放特性，成为涂料工业中的一支重要生力军，市场渗透率持续提高。2023年中国UV涂料行业产量约为17.72万吨，需求量约为18.07万吨，预计20242030年中国UV固化涂料行业产能和产量将持续增长。然而，大部分UV固化涂层使用石油基原料，且涂层不具有自修复能力，同时光引发剂的添加导致涂层性能下降。针对以上问题，本项目拟采用可再生生物质蓖麻油（CO）为原料，将-硫辛酸（TA）接枝CO，利用TA的UV开环聚合得到UV固化涂层。同时由于动态二硫键的存在，涂层具有UV自修复能力。TA开环聚合无需引发剂的加入，能提升涂层的综合性能。因此本项目利用TA的引入，以期实现涂层的UV固化和自修复，体系无需引发剂的加入，提升涂层性能。同时以天然CO为原料来制备涂层，可降低对石油资源的依赖，为我国绿色可持续发展道路奠定基础。

研究内容:

本项目拟采用以生物CO为原料，合成基于动态二硫键的UV固化涂层。先通过酯化反应将TA接枝到CO上，然后利用TA进行UV开环聚合得到涂层；探究TA的接枝量和固化条件，如：UV光照频率、强度等，对所得CO涂层网络结构（交联度、骨架刚性、非共价作用）与性能（自修复、力学性能、粘附能力）的影响；建立CO涂层网络结构与性能之间的相关性，最终实现红外光照下可自修复的UV固化CO涂层的合成。

国、内外研究现状和发展动态:

高分子涂料是高分子材料五大应用之一。UV固化涂料具有高效，经济，节能和环保等特点，被认为是一种绿色工业技术。随着人们对低能耗和环保意识的不断增强，UV固化涂料得到了广泛的应用。然而，在涂料使用期间，UV固化涂层不可避免地遭受外部机械损伤，从而导致划痕和裂纹的形成，最终使其功能下降和寿命减少。同时，具有永久聚合物网络的涂层不能自修复；一旦划伤或损坏，就限制了它们在各种情况下的使用。受损的涂层主要被送去焚烧或填埋，加剧了环境污染。因此，市场对于具有自愈能力的UV固化涂料具有很高的需求，开发这种涂料也有利于减少涂层废弃物的产生，减少环境污染。

最初，通过在涂层网络中加入氢键、配位键和芳香π-π共轭键等非共价可逆键，制备了具有内在自愈能力的UV固化涂层。然而，这些弱的非共价键的引入导致涂层的力学性能下降。因此，研究者们利用动态共价键来合成具有自愈能力的UV固化涂层。如，Wang等人通过巯基点击反应研究了含Diels-Alder（DA）基团的UV固化自愈聚氨酯涂料。Aizpurua等人利用含有DA键的UV固化分散体合成了可回收、可自愈的涂料。Zhao等制备了含二硫基团的自愈网络，应用于UV涂料。Zhang等开发了基于二硫交换的UV固化聚氨酯丙烯酸酯涂料，所得涂料可自修复，呈现透明态。Wang等制备了具有可修复的UV固化聚合物涂层。然而，报道的UV固化涂料主要来源于不可再生的化石资源，导致工业的不可持续的发展和化石化资源危机。仅报道了少数生物基自修复UV固化涂层。Yu等探索了基于酯交换反应的自愈合的桐油基UV光固化涂料。Huang等人报道了橡胶籽油和衣康酸基于酯交换反应的自修复、UV固化涂层。Huang等制备了含有DA键的UV固化自愈桐油基涂料。目前报道的生物质自愈性光固化涂料大多需要光引发剂，而光引发剂被认为对人体有潜在的不良影响，并且光引发剂的存在导致涂层性能下降。

TA广泛存在于动物体内，是一种天然存在的小分子，以其抗氧化性能、抗菌活性、生物可降解性和生物相容性而闻名。它具有一个含二硫键的五元环和一个羧酸基的结构。动态二硫键的排列有利于开环聚合通过外部引发，如光和热。目前，TA被用于制备基于二硫交换的自修复涂层。Zhang等制备了耐腐蚀、抗菌/抗氧化聚硫辛酸涂层，该涂层在37℃下处理4 h后可自愈。Li等人使用TA设计了具有多级的防腐涂层，该涂层在室温下的水溶液中实现自愈。因此，TA是制备高性能自愈涂层的理想原料。

目前，使用绿色可再生生物质资源为原料制备涂层表现出很大的优势，因为生物基涂层能够降低环境污染问题，也能减少涂层制备过程中对不可再生资源的依赖，减轻化石资源紧缺危机，减少碳排放，还能促进相关植物种植业的发展。

本项目拟采用CO为原料，利用TA对其进行接枝，在UV照射下TA进行开环聚合，以获得UV固化和自复的生物基涂层，该涂层体系无需光引发剂，可提升涂层性能。这类自修复、生物基涂层对延长涂层使用寿命、减少高分子材料垃圾、降低高分子材料对环境的危害以及缓解石油危机等方面具有重要意义。

创新点与项目特色:

首先，利用天然CO结构特点（分子内三个羟基）对其进行化学改性，获得TA接枝的CO预聚物，其在UV光照下开环聚合得到涂层，网络内部存在二硫键可实现涂层的UV自修复，同时降低UV固化涂料合成对石化资源的依赖。

其次，TA在UV光照下的开环聚合不需要光引发剂，避免光引发剂在UV固化涂层中的加入，降低涂层性能。最终制备出具有高性能、UV固化和自修复能力CO基涂层。

技术路线、拟解决的问题及预期成果:

（1）首先，对通过酯化反应将TA分子接枝到CO结构上，得到可UV固化的预聚物，并获得不同TA接枝量的预聚物。

（2）对不同TA接枝量的预聚物进行UV照射，探究不同的光照频率（365 nm、412 nm）、时间（15 min、30 min、45 min、60 min、）对固化反应的影响，制备UV固化CO基涂层。

（3）所得CO基涂层网络进行结构表征与性能测试，利用红外和拉曼对所得材料进行结构表征，同时交联度可通过溶胀平衡测试间接得到，利用光学显微镜观察划痕自修复能力，利用动态热机械分析对其可逆网络的热响应能力、动态力学性能和应力松弛进行分析，利用热重分析仪对网络的热性能进行分析。

（4）成功制备出不同网络结构（交联度、骨架刚性、非共价作用）的CO基涂层。建立网络合成的可控制备方法，最终制备出具有高性能、UV固化和自修复的CO基涂层。并预计申请发明专利或发表论文，提交一份结题报告。

项目研究进度安排:

2024年11月11日-2024年12月31日：项目的立题，文献资料的收集。

2025年1月1日-2025年10月31日：开始实验的制备。学生分工如下：

李春艳：对CO进行TA接枝。

覃思琴：对合成涂层网络的反应条件进行探索，优化反应条件。

安俊吉：对产物进行结构分析测试，记录实验步骤和结果。

张雪娇：利用不同TA接枝量的CO预聚物进行固化获得涂层网络，记录实验和结果。

最后，全体最后项目组成员一起比对研究TA接枝量、交联反应条件等对所得网络结构与最终涂层性能的影响。

实验完成后，和指导老师探讨实验结果，思考寻找是否有可改进的实验步骤，实验完全结束。

2025年11月1日-2025年12月31日：整理数据，全面整理所得资料，撰写研究报告、专利。

已有基础:

与本项目有关的研究积累和已取得的成绩:

已经成功获得TA接枝CO预聚物

已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法:

无

经费预算

开支科目	预算经费（元）	主要用途	阶段下达经费计划（元）
开支科目	预算经费（元）	主要用途	前半阶段	后半阶段
预算经费总额	10000.00	无	4700.00	5300.00
1. 业务费	7500.00	测试及文献检索	2700.00	4800.00
（1）计算、分析、测试费	4500.00	利用扫描电镜、热重分析、红外分析、原子吸收光谱分析等仪器设备研究材料的结构和物理化学性质	2000.00	2500.00
（2）能源动力费	0.00	无	0.00	0.00
（3）会议、差旅费	0.00	无	0.00	0.00
（4）文献检索费	1000.00	实验文献资料等的收集查找及印刷费	700.00	300.00
（5）论文出版费	2000.00	论文出版版面费	0.00	2000.00
2. 仪器设备购置费	0.00	无	0.00	0.00
3. 实验装置试制费	0.00	无	0.00	0.00
4. 材料费	2500.00	实验所需原材料及试剂	2000.00	500.00

结束