萘二甲酸酯增强型可降解PBAT共聚物的力学性能研究及其可持续应用

本研究针对可降解聚酯PBAT机械性能不足的问题，通过引入刚性萘二甲酸酯（DMN）单元合成新型PBATN共聚物。结果表明，PBATN80的拉伸强度提升至56.01 MPa（纯PBAT为14.43 MPa），断裂伸长率保持530-743%，且生物降解性仅轻微下降。该工作为开发高性能可降解塑料提供了新策略，对包装和农用薄膜领域具有重要意义。

　　

随着全球塑料污染问题日益严峻，开发可替代传统石油基塑料的生物降解材料成为研究热点。聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）因其与低密度聚乙烯（LDPE）相似的力学性能和可降解特性，被视为最有潜力的替代品之一。然而，PBAT的机械强度不足限制了其在更广泛领域的应用。目前通过填充改性、共混或共聚等方法提升PBAT性能的研究虽多，但往往面临力学性能与降解性能难以兼顾的挑战。

为突破这一瓶颈，研究人员通过两步熔融聚合法，以2,6-萘二甲酸二甲酯（DMN）部分替代对苯二甲酸二甲酯（DMT），合成了一系列萘二甲酸酯含量从0到100 mol%的PBATN共聚物。研究发现，当萘二甲酸酯含量达80 mol%时（PBATN80），材料拉伸强度提升至56.01 MPa，是纯PBAT（14.43 MPa）的3.9倍，同时断裂伸长率保持在626%。该成果发表于《Polymer Testing》，为设计高性能可降解塑料提供了新思路。

研究采用核磁共振（¹H NMR）和凝胶渗透色谱（GPC）验证了共聚物结构，显示分子量随萘二甲酸酯含量增加而显著提升（PBAN的M_w达112,300 g/mol）。通过差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）发现，萘二甲酸酯的引入使玻璃化转变温度（T_g）从-35.3°C升至-8.8°C，但热分解温度保持稳定（T_d,5%≈385°C）。X射线衍射（XRD）证实，当萘二甲酸酯含量≥50 mol%时，材料呈现与聚丁烯萘二甲酸酯（PBN）相似的晶体结构，这是力学增强的关键因素。

3.1 合成与表征
通过FT-IR和¹H NMR证实了共聚物的成功合成，GPC显示PBAN的分子量较PBAT提高2.8倍，为力学性能提升奠定基础。

3.2 热性能
萘二甲酸酯的刚性结构使T_g显著升高，但所有样品T_d,5%均维持在383-389°C，表明热稳定性未受破坏。

3.3 晶体结构分析
XRD揭示当萘二甲酸酯≥50 mol%时，材料出现PBN特征峰（14.6°、22.1°等），证实了萘环π-π堆积对结晶行为的调控作用。

3.4 力学性能
PBATN80展现出56 MPa的优异拉伸强度，同时撕裂强度从18.3 MPa（PBAT）提升至57.2 MPa（PBATN90）。纳米压痕测试显示硬度呈非线性变化，可能与晶体有序度相关。

3.5 水解降解性能
在0.1 M NaOH中42天后，PBAT降解率为2.65%，而PBAN为2.24%，证明萘二甲酸酯的引入仅轻微延缓降解速率。

该研究通过分子设计实现了PBAT力学性能的突破，PBATN80的强度已接近通用工程塑料水平。值得注意的是，材料在保持生物降解性的同时，其撕裂强度达到传统LDPE薄膜的2-3倍，这对农用薄膜的耐候性提升具有直接价值。研究人员指出，萘二甲酸酯含量超过50 mol%时形成的PBN样晶体结构是性能跃升的关键，这种结构通过刚性萘环的协同作用抵抗外力，而脂肪族链段则维持了材料的柔韧性。未来通过优化萘二甲酸酯比例和加工工艺，这类材料有望在包装、生物医学等领域替代不可降解塑料，推动绿色材料产业发展。