基于脂肪酸二聚体二醇与芳香二酯单体的生物基热塑性共聚酯机械与高频介电性能优化研究

为解决生物基热塑性共聚酯（TPCs）在高频电子器件中机械与介电性能的平衡问题，研究人员通过引入脂肪酸二聚体二醇（DDO）和不同结构的芳香二酯单体（DMI、NDC），采用熔融缩聚法合成系列TPCs。结果表明，20?mol% DDO与DMI共聚可显著提升断裂伸长率至607%，而NDC共聚则降低介电常数（Dk ）至2.32（29?GHz），为柔性电子器件设计提供了新材料策略。

　　

在全球化石燃料短缺与环保意识提升的背景下，生物基聚合物成为研究热点。聚酯材料因其优异的机械性能和化学稳定性被广泛应用，但传统石油基聚酯难以满足高频电子器件对低介电损耗和高柔性的双重需求。尤其在高频通信（如5G毫米波频段29-37?GHz）领域，材料的介电常数（D_k
）和损耗因子（D_f
）直接影响信号传输效率。然而，现有生物基聚酯往往因刚性结构导致柔性不足，或介电性能不达标。为此，台湾大学的研究团队在《European Polymer Journal》发表论文，通过分子设计合成了一系列基于脂肪酸二聚体二醇（DDO）和芳香二酯单体的热塑性共聚酯（TPCs），系统探究了结构异构与刚性对材料性能的影响。

研究采用熔融缩聚法，以钛酸四丁酯（Ti(OBu)₄
）和羟基氧化丁基锡（BuSnOOH）为催化剂，将DDO、1,4-丁二醇（BDO）与三种芳香二酯（对苯二甲酸二甲酯DMT、间苯二甲酸二甲酯DMI、2,6-萘二甲酸二甲酯NDC）共聚。通过核磁共振（NMR）、凝胶渗透色谱（GPC）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征结构，结合热重分析（TGA）、动态机械分析（DMA）和矢量网络分析仪（VNA）评估性能。

研究结果

1. DDO比例提升对性能的影响
增加DDO含量（20?mol%）显著提高TPCs的生物基含量，同时降低D_k
（从2.61降至2.43）和D_f
。DDO的长链分支结构引入自由体积，削弱分子间作用力，从而改善高频介电性能。

2. 结构异构效应：DMI的贡献
与DMT（对位结构）相比，间位DMI的引入使断裂伸长率（ε_b
）从109%飙升至607%，但D_k
略有上升。DMI的异构结构破坏分子链规整性，增强无定形区比例，从而提升柔性。

3. 刚性单体NDC的独特作用
NDC的萘环结构赋予更高刚性，与20?mol% DDO共聚后，材料拉伸强度提升，同时D_k
进一步降至2.32（29?GHz）。其机制在于NDC促进紧密分子堆叠，减少偶极极化损耗。

结论与意义
该研究通过精准调控DDO与芳香二酯单体的比例及结构，实现了TPCs机械性能与高频介电性能的协同优化。DDO-DMI组合适用于需高柔性的电子衬底，而DDO-NDC体系更适合高强度低介电场景。成果为生物基材料在5G高频器件中的应用提供了理论依据和实用化路径，同时推动了可持续高分子材料的设计范式。