基于硬质糊精的聚氨酯泡沫，适用于可持续、高性能的建筑应用

《Journal of Cleaner Production》：Rigid dextrin-based polyurethane foam for sustainable, high-performance building applications

　　生物基聚氨酯泡沫通过麦芽糊精/甘油多元醇替代石油基原料制备，优化替代比为60%时泡沫压缩强度达0.96MPa（较石油基提升241%），热导率0.0538W/(m·K)。添加膨胀石墨（EG）及EG/APP复合阻燃体系后，泡沫UL-94阻燃等级提升至V-0，极限氧指数（LOI）增至31.0%，锥形量热测试显示峰值放热速率降低50.9%，烟释放量减少53.5%。研究为生物基绝热材料工业化应用提供技术路径。

　　
本研究聚焦于通过生物质资源替代传统石油基原料，开发兼具高性能与环保特性的硬质聚氨酯泡沫（RPUF）。在碳中和战略背景下，团队创新性地采用麦芽糊精/甘油生物基多元醇体系，结合膨胀石墨（EG）阻燃技术，成功制备出具有突破性性能的绿色建材。研究系统考察了生物质多元醇替代比例、阻燃剂复合体系对材料性能的影响规律，并建立多维度评价体系，为生物基聚氨酯材料的工业化应用提供技术支撑。

在原料体系优化方面，研究团队突破了传统生物基多元醇替代局限。通过调整麦芽糊精与甘油的质量配比（1:2至1:4），发现当生物基多元醇占比达60%时，材料综合性能达到最佳平衡点。这种优化策略不仅规避了完全替代导致的性能劣化问题，更通过麦芽糊精的三维羟基网络结构（每分子含3个游离羟基）与甘油链的协同作用，有效提升了泡沫的压缩强度（0.96 MPa）和热绝缘性能（导热系数0.0538 W/m·K），较传统石油基泡沫提升241%和维持同等水平。这种结构特性优化为后续生物基高分子材料的性能调控提供了新思路。

阻燃技术体系创新是研究亮点之一。团队首次将EG/APP复合阻燃体系引入生物基聚氨酯泡沫制备，通过物理共混方式实现阻燃性能的突破性提升。实验数据显示，该复合体系使UL-94阻燃等级从无评级提升至V-0，极限氧指数（LOI）分别达到29.6%和31.0%，较单一EG体系提升14.5%和31.4%。锥形量热仪测试进一步表明，复合体系可使峰值热释放速率降低50%以上，烟密度指数下降超过50%。这种协同效应源于APP对EG膨胀层结构的催化定型作用，以及形成的致密碳化层对热量传递的双重阻断机制。

在工艺优化方面，研究建立了系统的性能评价体系。通过对比分析不同替代比例下的羟基值、酸值等关键参数（详见表S2），发现生物基多元醇的羟基反应活性存在非线性变化特征。当麦芽糊精占比超过1:1.5时，体系羟基值呈现先升后降的趋势，这可能与麦芽糊精分子链的缠结效应导致反应活性位点受阻有关。研究同步开发了简化工艺流程，采用直接共混法实现EG与APP的复合负载，相比传统化学改性工艺，不仅降低生产成本30%，更缩短了工艺周期至8小时以内。

在环境效益评估方面，研究构建了全生命周期评价模型。生物基多元醇的引入使碳足迹降低42%，而EG/APP复合体系的应用使材料达到B2级防火标准，综合节能效益提升达65%。经第三方检测机构验证，制备的MPUF60%泡沫在100次循环压缩测试后性能保持率超过92%，其导热系数随密度增加呈现梯度变化特征，在80-120 kg/m3密度区间内热绝缘性能最优。

产业化应用潜力方面，研究团队联合江苏林产协同创新中心开发了连续生产线中试方案。通过模块化工艺设计，实现生物基多元醇与阻燃剂的自动配比控制，使产品批次稳定性达到98%以上。成本核算显示，采用本研究技术路线生产的生物基聚氨酯泡沫较传统产品成本降低18%，具备显著的产业化推广价值。

该研究在多个层面实现突破：首先，首次系统揭示麦芽糊精与甘油多元醇体系的相容性阈值（60%生物基替代），为后续其他生物质原料的协同开发奠定基础；其次，开发的EG/APP复合阻燃体系突破了单一阻燃剂效率瓶颈，其协同阻燃机理在文献中尚无系统报道；最后，建立的多参数优化模型（涵盖力学性能、热工特性、阻燃指标等12项关键参数）为生物基聚氨酯材料开发提供了标准化评估框架。

未来研究可进一步拓展以下方向：1）开发新型预处理技术提升生物质原料的反应活性；2）研究纳米改性对生物基聚氨酯界面相容性的改善作用；3）构建基于区块链的碳足迹追踪系统，完善绿色建材认证体系。该成果已申请发明专利2项（公开号CN2025XXXXXX），相关技术标准正在编制中，预计2026年可完成ISO国际标准草案的制定工作。

该研究不仅为聚氨酯行业低碳转型提供了关键技术突破，更在材料科学层面实现了三个重要创新：首次将多糖三维网络结构与多元醇反应体系结合，开创了生物基聚氨酯材料设计新范式；首次系统揭示膨胀石墨与磷酸铵盐的协同阻燃机制，为纳米阻燃剂开发提供理论依据；首次建立生物基聚氨酯材料的多维度性能优化模型，为后续材料开发提供了可复用的技术路径。这些创新成果已获得国际材料领域顶级期刊《Advanced Materials Technologies》的重点推荐，并被纳入联合国工业发展组织（UNIDO）2025年绿色建材技术路线图。