可持续生物降解聚(丁烯-co-1,4-环己烷二亚甲基碳酸酯)的合成及其热力学、机械与阻隔性能增强研究

为解决传统塑料不可降解、依赖石化资源及环境污染问题，研究人员通过熔融缩聚法合成新型透明生物降解共聚碳酸酯PBCC。该材料以1,4-环己烷二甲醇(CHDM)为改性单体，显著提升玻璃化转变温度(Tg达30.4°C)和热稳定性(Td,5%达342°C)，机械强度(拉伸强度47.33 MPa)及CO2/O2/水蒸气阻隔性能(分别为PBAT的6.2-29.9/1.6-4.3/1.1-2.8倍)，同时保留生物降解性，为环保包装材料提供新选择。

　　

在全球塑料污染危机日益严峻的背景下，传统石油基塑料的不可降解性已成为生态系统的重大威胁。每年约有800万吨塑料垃圾进入海洋，形成触目惊心的"太平洋垃圾带"。与此同时，人类对石化资源的过度依赖与碳排放问题交织，促使科学界将目光投向可持续材料开发。其中，以二氧化碳(CO₂)为原料的"碳中性"聚合物尤为引人注目——这类材料不仅能减少对化石燃料的依赖，其降解产物仅为CO₂和脂肪族二醇，真正实现环境友好。然而，当前主流生物降解材料如聚(己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯)(PBAT)、聚乳酸(PLA)等存在机械强度不足或热稳定性差等缺陷，而脂肪族聚碳酸酯(APCs)中的聚丁烯碳酸酯(PBC)虽具潜力，却因玻璃化转变温度低至-33°C、熔点仅约60°C等短板难以广泛应用。

针对这一系列挑战，中国科学院宁波材料技术与工程研究所的研究人员创新性地采用具有刚性六元环结构的1,4-环己烷二甲醇(CHDM)作为第三单体，通过熔融缩聚法成功制备出聚(丁烯-co-1,4-环己烷二亚甲基碳酸酯)(PBCC)共聚物系列。这项发表于《European Polymer Journal》的研究，通过核磁共振(¹H/¹³C NMR)确认了无规共聚结构，系统考察了CHDM含量对材料性能的影响规律。

关键技术方法包括：熔融缩聚法制备不同CHDM含量的PBCC系列；核磁共振表征化学结构；差示扫描量热法(DSC)和热重分析(TGA)测定热性能；万能材料试验机测试机械性能；气体渗透仪评估阻隔性能；酶催化降解实验采用南极假丝酵母脂肪酶B(CALB)。

热性能显著提升
随着CHDM单元含量从16 mol%增至85 mol%，材料T_g从-22.2°C跃升至30.4°C，T_d,5%热分解温度从307°C提高到342°C。这种提升源于CHDM的刚性环状结构增强了分子链运动阻力，其船式/椅式构象转换特性同时赋予材料良好延展性。

机械与阻隔性能突破
当CHDM含量达85 mol%时，PBCC展现最佳机械性能：拉伸强度47.33 MPa、拉伸模量470.7 MPa。阻隔性能更令人瞩目——对CO₂的阻隔能力是PBAT的6.2-29.9倍，O₂为1.6-4.3倍，水蒸气为1.1-2.8倍，这归因于CHDM单元降低了聚合物链段自由体积。

保持生物降解特性
酶降解实验证实PBCC仍保持生物降解性，CALB酶可加速其降解过程。值得注意的是，相较于传统采用二元酸作为第三单体的改性方案，本研究选用CHDM作为二醇单体，确保碳酸二甲酯(DMC)在共聚物中比例不受影响，从而维持了材料的高CO₂固定量。

这项研究通过分子设计实现了材料性能的多维度突破：热稳定性满足高温加工需求，机械强度媲美工程塑料，阻隔性能超越商业生物降解材料，同时保留环境友好特性。特别值得关注的是，CHDM可从生物质或废弃PET塑料转化获得，使PBCC具备完整的可持续产业链前景。该成果为食品包装、医用材料等领域提供了兼具高性能与生态兼容性的新型解决方案，对推动塑料工业绿色转型具有重要意义。