多元醇的科学解释
多元醇是羟基官能化的低聚物，其分子量在 300–9000 g mole-1 范围内，官能度在每摩尔 1–8 当量范围内。 线性和低官能度 (f=2–3 eq mole−1) 多元醇如甘油 (f=3)、二丙二醇 (f=2) 生成柔性（低模量）聚氨酯，而支化和高官能度（f=3– 6 eq mole−1) 多元醇，如山梨糖醇 (f=6)、曼尼希碱 (f=4)、蔗糖 (f=8)，可形成硬质聚氨酯体系（高模量）。 多元醇通常用作性质相似但分子量不同的分子的混合物。 它们的分子具有不同数量的 –OH 基团。 因此，多元醇的羟基含量以平均官能度表示。 低分子量多元醇（几百个单位）用于制造刚性聚氨酯，而柔性聚氨酯则由高分子量多元醇（约一万个及以上单位）获得。 根据主链结构，多元醇分为三组，即聚醚多元醇和聚酯多元醇以及特种多元醇。 聚醚多元醇占全球聚氨酯的 80% 以上。 这是因为聚醚多元醇比聚酯和特种多元醇便宜得多。 然而，聚酯多元醇用于生产具有更好耐磨性、耐溶剂性和撕裂强度的聚氨酯。 特种多元醇，即聚硫化物多元醇、聚己内酯多元醇、聚碳酸酯多元醇和聚丁二烯多元醇，用于制造密封剂、涂料和粘合剂，产品必须承受工业和海洋应用中的恶劣环境 。
聚醚多元醇是通过环氧化合物与具有活性氢的分子的加成反应或通过环氧烷烃的离子聚合制备的。 聚（四亚甲基醚）二醇由四氢呋喃聚合获得，主要用于高性能弹性体和涂料应用[250,251]。 聚酯多元醇是通过羧酸和乙二醇的酯化反应生产的。 与链增长聚合不同，逐步增长聚合产物的分子量对反应物的化学计量高度敏感。 因此，高分子量线性聚酯多元醇是通过使用高纯度酸制备的，并用于生产具有改进性能的聚氨酯，这是使用聚醚多元醇无法实现的。 低分子量支化聚酯多元醇是通过回收副产品与乙二醇的糖酵解（酯交换）制备的。 表 1.0 列出了用于合成 聚氨酯树脂的各种多元醇。 一些常用多元醇的化学结构如下图所示。
表 1.0。 常用于合成聚氨酯树脂的多元醇和异氰酸酯化合物列表。
表1.0
异氰酸酯多元醇
4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯 (MDI)
2,4-, 2,6-甲苯二异氰酸酯 (TDI)
1,6。 六亚甲基二异氰酸酯 (HDI)
1,5-萘二异氰酸酯
4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯
3-isocyanatomethyl-3,5,5-trimethylcyclohexyl isocyanate (异佛尔酮二异氰酸酯)
对苯二异氰酸酯
2,2,4-三甲基-1,6-六亚甲基二异氰酸酯
3,3'-二甲基-二苯基甲烷 4,4'-二异氰酸酯
聚（环氧乙烷）（PEO）
聚环氧丙烷 (PPO)
聚（环氧丁烷）(PTMO)
聚己内酯 (PCL) 二醇
1,4聚丁二烯二醇
聚（己二酸乙二醇酯）
聚（二甲基硅氧烷）
聚异丁二醇
聚醚多元醇在水解稳定性、成本、粘度和柔韧性方面具有优势，而在氧化稳定性、模量/强度、热不稳定性、可燃性方面具有劣势。 脂肪族聚酯多元醇在氧化稳定性、机械强度/模量方面具有优势，但在粘度和水解稳定性方面具有劣势。 与其脂肪族类似物相比，芳香族聚酯多元醇具有更好的机械性能和阻燃性。 基于聚丁二烯的多元醇以其低温柔韧性和耐溶剂性而著称。 羟基官能化的超支化聚合物也可以用作多元醇。 与线性类似物相比，它们提供低得多的溶液粘度，因为它们假定溶液中球体的流体动力学体积。 此类超支化聚合物的合成已在前面的章节中讨论过（见图 1.1）。研究者报道了一种星形聚酯多元醇，通过三羟甲基丙烷（TMP）和ε-己内酯的缩聚制备。 反应方案如图 1.33 所示。 由星形多元醇制成的 PU 的性能可以通过改变 ε-己内酯/TMP 的比例和聚酯多元醇的臂数来调整。 PU 薄膜和涂层的机械性能随着 ε-己内酯/TMP 比率的降低和臂数的增加而增加。
多元醇可以从天然和可再生资源中获得，例如用于聚氨酯材料可持续发展的植物油。 这些可再生材料可以是脂肪酸，也可以是从植物油中获得的脂肪酸或二聚体脂肪酸 ，植物油包括蓖麻、大豆、水黄皮、印楝和棉籽。 油基本上是脂肪酸的甘油三酯，可通过各种方法转化为多元醇，例如环氧化和开环聚合臭氧分解、酯交换和加氢甲酰化。 来自可再生资源的多元醇可以与异氰酸酯反应，生产具有适用于广泛应用的特殊性能的聚氨酯。 然而，生物基多元醇大多含有仲-OH 基团，与石油基多元醇中存在的伯-OH 基团相比，它们的反应性相对较低。 因此，与石油基多元醇相比，生物基多元醇与异氰酸酯的反应速度较慢。 例如，加入酯交换棕榈油基多元醇会降低硬质聚氨酯发泡过程的反应性 。 使用生物基多元醇和石油基多元醇的混合物，可以调整反应动力学，使其有利于合成特种产品，如模塑泡沫、弹性涂料等。