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浙江大學王文俊、楊軒團隊 Macromolecules封面文章:在水中具有良好降解能力的PBAT-co-PGA共聚酯的合成
2023-11-19  來源:高分子科技

文章亮點


  將乙醇酸GA引入到聚己二酸對苯二甲酸丁二醇酯PBAT分子鏈中,定制了生物可降解的PBAT-co-PGA共聚酯,該共聚酯在水中具有良好的降解能力,同時具有優(yōu)異的力學、阻隔和耐老化性能。


  生物可降解PBAT存在水中降解慢的問題。為此,該團隊報道了一種PBAT-co-PGA共聚酯,在保持共聚酯中芳香族共聚單元BT含量nBT不變的前提下,降低BT數(shù)均序列鏈長LBT,并結(jié)合GA可促進水解的能力,使所定制的共聚酯在水中可良好地降解,同時還具有優(yōu)異的力學、阻隔和耐老化性能。該共聚酯具有很好的工業(yè)應用前景。


  通過分步酯化和共縮聚,定制了GA含量nGA)8.0-20.2 mol%、對苯二甲酸PTA含量nPTA)36.2-50.3 mol%的共聚酯。研究表明在相同nPTA條件下,PBAT-co-PGA的LBT比PBAT更短圖1)。 


圖1. PBAT和PBAT-co-PGA中芳香族單元數(shù)均序列鏈長(LBT)隨對苯二甲酸摩爾含量(nPTA)的變化曲線。


  將nPTA為45 mol%、nGA為13 mol%的PBAT-co-PGA(A42T45G13)與相同nPTAPBATA55T45G0)進行比較,雖然PBAT-co-PGA的LBT更短,但其結(jié)晶度卻更高,彈性模量和拉伸強度也更高(圖2)。 


圖2. PBAT和PBAT-co-PGA的性能比較。(a)拉伸應力-應變曲線,(b)彈性模量、(c)斷裂強度及(d)韌性與對苯二甲酸摩爾含量nPTA)之間的關(guān)系。


  PBAT-co-PGA的水汽阻隔性能是由PTA和GA的含量所決定。提高nPTAnGA會增加聚合物鏈的剛性,從而提升了共聚酯水汽阻隔性(圖3)。 


圖3. PBAT和PBAT-co-PGA以及常用生物可降解包裝材料水汽透過率的比較。


  GA的存在和LBT的減少均有助于提高共聚酯的酶和非酶的水解性能(圖4和5)。由于PBAT-co-PGA晶體結(jié)構(gòu)在降解過程中較PBAT更容易被破壞,因而其降解性得以提高。 


圖4. PBAT和PBAT-co-PGA的水解性能。(a)氫氧化鈉水溶液中降解,(b)假絲酵母脂肪酶(CRL)水溶液中降解,(c)CRL降解過程中共聚酯重均分子量(Mw及(d)堿水解后共聚酯膜外觀的變化。
 

5. PBAT和PBAT-co-PGA在人工海水中降解。(a)薄膜質(zhì)量變化,(a)共聚酯重均分子量Mw,(c)PBAT降解前后DSC曲線及(d)PBAT-co-PGA(A42T45G13降解前后DSC曲線。

  共聚酯薄膜的戶外使用穩(wěn)定性非常重要,研究表明PBAT-co-PGA較PBAT具有更好的戶外使用性能。


  相關(guān)成果近期以Synthesis of Poly(butylene adipate terephthalate)-co-poly(glycolic acid) with Enhanced Degradability in Water”為題發(fā)表在Macromolecules上,并被遴選為當期封面。論文的第一作者為浙江大學化學工程與生物工程學院博士研究生姜冰雪,通訊作者為浙江大學化學工程與生物工程學院、浙江大學衢州研究院王文俊教授和楊軒研究員。該團隊已在生物可降解和生物質(zhì)基環(huán)保高性能材料方面開展了系列工作(ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2017, 5, 10342; ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2018, 6, 6654; ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2019, 7, 4147; Carbohydrate Polymers, 2020, 247, 116687; Polymer, 2020, 197, 122518; Carbon, 2021, 172, 31; Green Chemistry, 2023, 25, 4696;ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2023, 11, 9947等)。相關(guān)工作獲國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、浙江省“尖兵”“領(lǐng)雁”研發(fā)攻關(guān)計劃、山東省重點研發(fā)計劃(重大科技創(chuàng)新工程)等項目的資助和支持。



  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.3c01403

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