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  高分子材料以其性能優(yōu)良、成本低廉、易加工成型等優(yōu)點，在日用品、汽車、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，為人類社會經(jīng)濟發(fā)展做出重要的貢獻。然而，傳統(tǒng)的高分子材料大多來源于不可再生的石化資源，面臨資源緊缺的問題，而且石油基塑料制品往往在自然環(huán)境中難以降解，大量塑料廢棄物已經(jīng)造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，給人類賴以生存的地球環(huán)境造成生態(tài)破壞等負(fù)面影響。作為解決以上問題的重要思路之一，發(fā)展生物基可降解的高性能高分子材料勢在必行，受到學(xué)術(shù)界與企業(yè)界的極大關(guān)注。作為商業(yè)化最為成功的生物基塑料之一，聚乳酸(PLA)兼?zhèn)鋬?yōu)異性能和性價比的優(yōu)勢，已經(jīng)成為了最具有發(fā)展?jié)摿Φ沫h(huán)境友好可降解生物基高分子材料。PLA材料可作為石油基塑料的替代品廣泛應(yīng)用于在食品包裝、餐具、汽車、電子產(chǎn)品和半結(jié)構(gòu)緩沖包裝等領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展前景。然而，脆性嚴(yán)重的缺陷極大地限制了PLA的應(yīng)用發(fā)展，如何實現(xiàn)其高效低成本的增韌改性成為PLA材料研究的核心挑戰(zhàn)之一。

  天津大學(xué)化工學(xué)院張坤玉課題組一直致力于面向高附加值領(lǐng)域應(yīng)用的高性能生物基高分子共混物和復(fù)合材料的研究(ACS Appl. Mater. Interfaces 2012, 4, 3091-3101; ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 12436-12448; ACS Sustainable Chem. Eng. 2014, 2, 2345-2354)。近期，課題組針對PLA共混增韌體系中組分相容性差、界面粘結(jié)力弱這一關(guān)鍵挑戰(zhàn)，提出以新型功能化離聚物為PLA的高效增韌劑，通過化學(xué)后改性與熔融共混相結(jié)合的改性策略，制備高韌PLA基共混材料，以拓寬聚乳酸的應(yīng)用范圍。課題組首先設(shè)計一系列咪唑單體作為商業(yè)化溴丁基橡膠(BIIR)的化學(xué)改性劑，通過高效易實施的季胺化反應(yīng)，合成了一系列含有不同咪唑陽離子的結(jié)構(gòu)新型BIIR離聚物彈性體。隨后，采用簡單高效的熔融共混方法，制備了高性能聚乳酸-離聚物彈性體共混材料，并對體系結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系進行了詳細(xì)系統(tǒng)的研究，揭示離子基團結(jié)構(gòu)-相形為-物理性能之間的內(nèi)在規(guī)律。

  在本文中，作者首先設(shè)計一系列含不同烷基鏈長度的咪唑單體，與溴丁基橡膠通過季胺化反應(yīng)獲得一系列BIIR離聚物，反應(yīng)和所得離聚物結(jié)構(gòu)性能如圖1所示。離子基團的引入可以賦予溴丁基橡膠離聚物更為優(yōu)良均衡的物理性能和極性。

圖1. 不同溴化丁基橡膠離聚物的合成路線圖及相關(guān)物理性能

  利用所得離聚物彈性體與PLA熔融共混，可有效改善彈性體與PLA基體間的相容性與界面粘結(jié)，從而獲得具備良好韌性的PLA基材料。作者通過離子基團結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的分析，揭示含長烷基鏈咪唑鎓基團的離聚物表現(xiàn)出最優(yōu)的物理性能，這與長烷基鏈有利于離子基團與PLA分子鏈產(chǎn)生非價鍵相互作用直接相關(guān)(如圖2所示)。該研究充分利用有機陽離子的結(jié)構(gòu)可設(shè)計性，結(jié)合了化學(xué)后改性與熔融共混改性的優(yōu)點，為發(fā)展針對生物基聚酯的綠色增韌改性劑提供了新的思路。

圖2. 純PLA和不同共混體系的沖擊斷面SEM圖像及增韌機理示意圖

  該論文的第一作者為天津大學(xué)陳璐碩士，通訊作者為天津大學(xué)化工學(xué)院張坤玉副教授和天津大學(xué)材料學(xué)院李悅生教授。該項工作得到國家自然科學(xué)基金面上項目(No. 51573130)的資助。該論文發(fā)表于Chinese Journal of Polymer Science 2018年第12期。

  原文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s10118-018-2143-6