研究刚性-柔性生物基共聚酯的热机械性能、分子结构及其动态行为

《Polymer Chemistry》：Investigating the thermomechanical behavior, molecular structure and dynamics of rigid–flexible bio-based copolyesters

新型木质素基共聚酯通过链结构调控实现热机械性能与生物降解性协同优化，海水降解率达45.7%。

　　

基于石油的塑料由于其较差的降解性，对全球污染产生了显著影响，这凸显了迫切需要开发绿色替代品的需求。这些绿色替代品不仅应具备与市售塑料相当的热机械性能，而且在使用寿命结束后还能实现生物降解。为了解决这一问题，通过调控聚合物链长度的方法合成了一系列新型的木质素基芳香族-脂肪族共聚酯（M1–M4）。该过程使用了甲基4-(氧苯甲酸)苯甲酸（MBOB）作为二元酯（其中含有自由的酚羟基），该二元酯是通过威廉姆森醚化反应合成的；同时使用了氢醌双(2-羟基乙基)醚（HQEE）作为链延长剂，并添加了多种脂肪族二酸（琥珀酸-C4、己二酸-C6、亚油酸-C8和十二烷二酸-C12）来调整共聚酯的物理化学性质。这些共聚酯表现出良好的分子量控制性能（Mw：4.25–4.65 × 10^4 g mol^-1，PDI：2.22–2.48），并且具有半结晶行为（结晶度18–36%）。它们的热性能（玻璃化转变温度：53–91 °C，熔化温度：142–178 °C）和机械性能（拉伸强度：50–67 MPa，断裂伸长率：270–320%）取决于脂肪族间隔基团的碳链长度，其性能可与市售的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚丁酸丁二醇酯（PBS）和聚乳酸（PLA）相媲美。此外，生化需氧量（BOD）测试显示这些共聚酯具有令人满意的生物降解速率（在土壤中为2.95–4.61%，在池塘水中为3.05–7.18%，在海水中为8.51–12.75%），其中M4在微生物作用和盐催化水解的作用下重量损失达到了45.7%。通过分子动力学研究，揭示了可降解链段（MBOB–HQEE、Al–MBOB和Al–HQEE）的构象和降解动力学特性；在海水中，由于水解作用的影响，这些链段的自由能增加了1.2倍。这些结果表明，M1–M4共聚酯有效结合了优异的热性能、韧性以及良好的生物降解性，为其在食品包装及相关领域的应用带来了巨大潜力。