一种含有葡萄糖的基于二氧化碳的三元聚合物：提高降解性能和有机溶剂吸附能力

《Polymer》：A glucose-containing CO 2-based terpolymer: Enhancement of degradability and organic solvent adsorption

通过CO?、PO和Glu三元共聚合成PPC-Glu5，其分子量达76.4 kg/mol，热稳定性提升140.4°C至288.7°C，机械强度提高79%，降解率67.1%且吸附苯甲醇类污染物容量6.79 g/g。

　　在当今社会，随着环保意识的不断增强，对可再生和可降解材料的需求日益增长。这促使了高性能聚合物的研发，其中聚碳酸酯（Polycarbonate, PC）作为一种重要的可生物降解工程塑料，因其优异的综合性能而受到广泛关注。然而，传统的聚碳酸酯在热稳定性、机械性能和降解能力方面仍存在一定的局限性，这在一定程度上限制了其在更多领域的应用。为了解决这些问题，科学家们不断探索新的合成方法和材料改性策略，以期获得更符合环保要求的新型材料。

在这一背景下，研究人员通过一种创新的合成方法，成功开发出一种新型的三元共聚物——改性聚碳酸酯 PPC-Glu。该材料通过将二氧化碳（CO?）、丙烯氧化物（PO）和葡萄糖（Glu）在锌戊二酸盐（ZnGA）/双金属氰化物（DMC）复合催化剂的作用下进行一锅法三元共聚反应制得。这一方法不仅简化了合成流程，还显著提升了材料的性能。其中，PPC-Glu5（PO/Glu摩尔比为100:5）表现出卓越的性能，包括较高的数均分子量（M? = 76.4 kg/mol）、显著增强的热稳定性（5%失重温度 T?, -5% 达到 288.7°C，比原始 PPC 提高了 140.4°C）以及优异的机械性能（拉伸强度为 28.1 MPa，比 PPC 提高了 79%）。此外，PPC-Glu5 在 10 周内实现了 67.1% 的降解重量损失，并且对苯甲醇类污染物具有高达 6.79 g/g 的吸附能力。这些特性表明 PPC-Glu5 不仅是一种理想的可生物降解材料，还具备作为有机污染物治理剂的潜力。

### 传统塑料的环境问题

自 20 世纪初塑料被工业应用以来，其轻质、耐用和低成本的特点极大地推动了社会经济的发展。然而，传统塑料的不可降解性却带来了严重的环境污染问题。在塑料的生产和使用过程中，会产生大量的有机废弃物，包括反应副产物、残留有机溶剂等。这些废弃物容易迁移至土壤、水体和空气中，对生态系统造成潜在威胁。更令人担忧的是，微塑料（<5 mm）由于体积小、难以被自然降解，会通过环境介质扩散，并可能干扰土壤微生物的代谢过程，影响农作物基因表达，甚至通过食物链在人体内积累。研究表明，成年人每年可能通过饮食和呼吸摄入约 100,000 个微塑料颗粒，这凸显了传统塑料生命周期管理所面临的生态和健康风险。

### 聚碳酸酯的特性与应用潜力

聚碳酸酯（Poly (propylene carbonate), PPC）作为一种通过二氧化碳和丙烯氧化物共聚合成的材料，被认为是有潜力的可生物降解塑料之一。近年来，PPC 在农业地膜、包装材料和生物医用材料等领域展现出广泛的应用前景。例如，使用 PPC 基的可降解地膜替代传统塑料地膜，可以在一定程度上减少土壤中残留地膜的积累，从而减轻对作物生长的负面影响，并提高作物产量。此外，一些研究通过引入不同的单体，如苯乙基醚（BGE）和氯气，进一步改善了 PPC 的性能，使其在某些应用场景中表现出更优异的特性。然而，这些改性方法往往伴随着环境有害的有机副产物的生成，且其降解产物仍可能对环境产生不良影响，因此，寻找更环保的改性策略成为当前研究的重要方向。

### 材料改性的必要性

PPC 的分子结构主要为无定形结构，这种结构导致其热稳定性和机械性能相对较低，且在自然环境中降解速度较慢。为了改善这些性能，材料改性成为关键手段。其中，引入第三种单体进行共聚被认为是提升 PPC 性能的重要方法之一。通过这种方法，研究人员可以更有效地调整材料的物理化学性质，使其更符合实际应用需求。例如，Li 等人通过引入环己烷二羧酸酐（CH）作为第三单体，合成了 PPC-CH，其热稳定性和拉伸强度显著提升。Song 等人则通过引入衣康酸酐（IAn），制备了三元共聚物 PPCIAn，该材料不仅具有更高的分子量，还表现出更快的降解速率。Wang 等人则通过一锅法合成 PPCCA，利用氯ogenic 酸酐（CA）作为第三单体，使材料的极限氧指数从 18.7% 提升至 33.5%，并表现出优于 PPC 的降解性能。后续研究中，他们又引入了端酸酐（EA），合成了 PPCEA，其在 10 周内的水解失重率达到 37.8%，远高于原始 PPC 的 4.48%。这些研究显示，引入第三单体可以显著提升 PPC 的性能，但同时也带来了新的环境问题，即合成过程中产生的有机副产物及其降解产物的潜在危害。

### 生物基单体的优势

近年来，研究者们开始关注生物基单体在材料改性中的应用。这类单体不仅来源于可再生资源，而且具有良好的环境兼容性。葡萄糖（Glu）作为一种经济实惠的单糖，易于从天然资源中提取，且其分子结构中含有五个羟基（-OH）基团。这些羟基可以作为活性节点，形成交联网络结构，从而显著增强 PPC 的热稳定性和刚性。更重要的是，葡萄糖本身是一种完全可生物降解的物质，其引入不会产生有害的副产物，也不会对环境造成额外负担。因此，葡萄糖被视为一种理想的第三单体，用于 PPC 的三元共聚反应。

### 新型材料的合成与性能

在本研究中，研究人员通过一锅法三元共聚反应，成功合成了 PPC-Glu。该方法利用了 ZnGA/DMC 复合催化剂，实现了 CO?、PO 和 Glu 的高效共聚。实验结果显示，Glu 的引入显著改变了 PPC 的分子结构，可能形成了类似交联网络的结构。这种结构的演变不仅大幅提升了材料的热稳定性和机械强度，还同时改善了其降解速率和有机溶剂吸附能力。具体而言，PPC-Glu5 的 5% 失重温度 T?, -5% 达到了 288.7°C，比原始 PPC 提高了 140.4°C；其最大失重温度 T?, max 则达到了 378.6°C，比原始 PPC 提高了 110.1°C。然而，其断裂伸长率却下降了近 300%，这表明材料在刚性和强度上的提升是以牺牲一定的柔韧性为代价的。尽管如此，PPC-Glu5 在环境友好性和功能性方面表现出色，显示出其在实际应用中的巨大潜力。

### 结构表征与性能验证

为了进一步验证 PPC-Glu 的结构和性能，研究人员采用了傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和氢核磁共振（1H NMR）等分析手段。FT-IR 分析显示，PPC-Glu 和 PPC 在 1740 cm?1、1400 cm?1 和 1100 cm?1 处均出现了强的特征吸收峰，分别对应于碳酸酯单元的 C=O 伸缩振动、C–O 伸缩振动和 -C–H 振动。而 PPC-Glu 在 916 cm?1 和 850 cm?1 处的吸收峰则被归因于不饱和 C–H 键（醛的烯醇形式）的弯曲振动。这些结果表明，Glu 的引入确实改变了 PPC 的分子结构，使其在化学结构上与原始 PPC 有所不同。1H NMR 分析进一步支持了这一结论，表明 PPC-Glu 的分子链中引入了更多的极性基团，从而增强了其与环境介质的相互作用能力。

### 降解性能与环境友好性

除了热稳定性和机械性能的提升，PPC-Glu5 还表现出优异的降解性能。在实验条件下，PPC-Glu5 在 10 周内实现了 67.1% 的降解重量损失，这一数值远高于原始 PPC 的降解速率。这种快速的降解能力意味着 PPC-Glu5 在使用后能够更快地被环境分解，减少对土壤和水体的长期污染。此外，PPC-Glu5 对苯甲醇类污染物具有较高的吸附能力（6.79 g/g），这表明其在有机污染物治理方面也具有重要的应用价值。与传统 PPC 相比，PPC-Glu5 不仅在性能上有所提升，还在环境友好性方面实现了突破，这使其成为替代传统塑料的理想材料。

### 应用前景与未来方向

PPC-Glu 的成功合成为可生物降解材料的研发提供了新的思路。其优异的热稳定性、机械性能、降解能力和吸附能力，使其在多个领域展现出广阔的应用前景。例如，在农业领域，PPC-Glu 可以作为可降解地膜使用，有效减少土壤污染；在包装行业，其良好的机械性能和降解能力可以满足对环保包装材料的需求；在生物医用材料领域，其生物相容性和可降解性也为其在可吸收缝合线和药物载体等应用中提供了可能。此外，PPC-Glu 在有机污染物治理方面的表现，使其在环境修复和废水处理等领域也具有重要的应用价值。

### 作者贡献与研究背景

本研究由多位研究人员共同完成，他们在材料合成、性能测试和数据分析等方面各司其职。Qi Wang 负责原始稿件的撰写、可视化、软件操作、方法设计和数据管理；Wenzhen Wang 提供了监督、资源支持、项目管理、调查研究和概念设计；Leilei Li 和 Shuang Liu 参与了稿件的修改与编辑，并负责验证和软件操作；Dake Zhang 负责调查研究和正式分析；Keting He 参与了方法设计；Xinyi Liu 负责验证和方法设计。该研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52073228）和西安石油大学研究生创新基金项目（项目编号：YCX2511005）的资助，为相关领域的研究提供了重要的支持。

### 研究意义与展望

本研究不仅为可生物降解材料的开发提供了新的思路，也为解决传统塑料带来的环境污染问题提供了可行的解决方案。PPC-Glu 的合成和性能优化展示了生物基单体在聚合物改性中的巨大潜力，同时也为实现绿色化学和可持续发展提供了技术支持。未来的研究可以进一步探索 PPC-Glu 在不同环境条件下的降解行为，以及其在实际应用中的性能表现。此外，还可以考虑将 PPC-Glu 与其他生物基材料进行复合，以期获得更综合性能的新型材料。通过不断优化合成工艺和材料结构，PPC-Glu 有望成为未来环保材料领域的重要组成部分，为减少塑料污染、促进可持续发展做出贡献。