基于低共熔溶剂的生物基聚(呋喃二甲酸三甲酯)闭环回收优化研究

本研究针对生物基聚酯PTF(聚呋喃二甲酸三甲酯)的末端回收难题，创新性地采用尿素:氯化锌低共熔溶剂(Ur:ZnCl2 ES)催化解聚-再聚合反应，实现98%解聚转化率和92%闭环回收率。通过DoE优化工艺，证实ES可替代传统金属氧化物催化剂，为生物基聚酯的绿色循环提供新策略。

　　

随着全球塑料污染问题日益严峻，生物基聚酯作为石油基材料的替代品备受关注。其中，聚(呋喃二甲酸三甲酯)(PTF)因其优异的阻隔性能(CO₂透过率仅为PET的1/48)和机械柔韧性(断裂伸长率46%)，在包装和纺织领域展现出巨大潜力。然而，这类材料的末端处理方案研究严重滞后——现有机械回收会导致PTF分子量下降(特性粘度从0.55降至0.32 dL/g)，而堆肥降解6个月仅失重2%。更棘手的是，化学回收研究几乎空白，仅有的碱性水解方案需苛刻条件(pH=11,15天)且未实现单体回收。这种"可持续材料不可持续处理"的悖论，严重制约着PTF的商业化应用进程。

为解决这一关键问题，来自葡萄牙阿威罗大学的研究团队在《Sustainable Materials and Technologies》发表创新成果。研究人员突破性地采用尿素:氯化锌低共熔溶剂(Ur:ZnCl₂ ES)双功能催化体系，建立PTF闭环化学回收新范式。通过Taguchi实验设计优化，在180℃、1小时温和条件下实现98%解聚效率，所得四聚体中间产物经ES催化再聚合后，回收率高达92%。尤为重要的是，该工艺全程无需金属氧化物催化剂，再生PTF(rPTF)保持原始材料的热稳定性(T_d,max 396℃)和结晶特性(x_c^WAXS 35.2%)，分子量(M_n 21,300 g/mol)完全满足应用需求。

研究团队运用多尺度表征技术体系：通过FTIR确认端羟基生成(3390 cm^-1)，¹H NMR定量四聚体结构(甲基末端峰2.00 ppm)，SEC监测分子量变化(M_w 43,500 g/mol)，结合DSC/TGA分析热性能(T_g 47.7℃)。对比研究显示，相同体系下PEF回收效果较差(M_n降至6,600 g/mol)，证实ES对PTF的特异性催化优势。

关键发现包括：(1)解聚优化：通过DoE确定温度(180℃)和PTF:PDO摩尔比(1:8)为关键参数，ES催化剂量仅需5 mol%；(2)闭环验证：省略中间纯化步骤直接再聚合，获得92%收率；(3)机理阐释：Ur:ZnCl₂同时催化醇解和酯交换反应，替代传统钛酸四丁酯(TBT)；(4)性能保持：rPTF结晶度(35.2%)反超原始PTF(32.4%)，归因于分子量降低促进链段重排。

这项研究开创了生物基呋喃聚酯闭环回收的新范式。其核心价值在于：技术层面，证实ES可同时催化解聚-再聚合反应，突破传统"金属催化剂依赖"瓶颈；产业层面，98%转化率和92%回收率已达商业化要求；环保层面，E因子34优于精细化工标准。研究还揭示PTF比其同系物PEF更易回收的分子特性，为后续生物基聚酯的分子设计提供重要参考。正如作者指出，该成果不仅解决PTF末端处理难题，更为整个生物基材料领域的循环经济策略树立了新标杆。