浙江大学王文俊、杨轩团队 Macromolecules封面文章：在水中具有良好降解能力的PBAT-co-PGA共聚酯的合成

2023-11-19 来源：高分子科技

文章亮点

将乙醇酸（GA）引入到聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）分子链中，定制了生物可降解的PBAT-co-PGA共聚酯，该共聚酯在水中具有良好的降解能力，同时具有优异的力学、阻隔和耐老化性能。

生物可降解PBAT存在水中降解慢的问题。为此，该团队报道了一种PBAT-co-PGA共聚酯，在保持共聚酯中芳香族共聚单元（BT）含量（n_BT）不变的前提下，降低BT数均序列链长（L_BT），并结合GA可促进水解的能力，使所定制的共聚酯在水中可良好地降解，同时还具有优异的力学、阻隔和耐老化性能。该共聚酯具有很好的工业应用前景。

通过分步酯化和共缩聚，定制了GA含量（n_GA）8.0-20.2 mol%、对苯二甲酸（PTA）含量（n_PTA）36.2-50.3 mol%的共聚酯。研究表明在相同n_PTA条件下，PBAT-co-PGA的L_BT比PBAT更短（图1）。

图1. PBAT和PBAT-co-PGA中芳香族单元数均序列链长（L_BT）随对苯二甲酸摩尔含量（n_PTA）的变化曲线。

将n_PTA为45 mol%、n_GA为13 mol%的PBAT-co-PGA（A₄₂T₄₅G₁₃）与相同n_PTA的PBAT（A₅₅T₄₅G₀）进行比较，虽然PBAT-co-PGA的L_BT更短，但其结晶度却更高，弹性模量和拉伸强度也更高（图2）。

图2. PBAT和PBAT-co-PGA的性能比较。（a）拉伸应力-应变曲线，（b）弹性模量、（c）断裂强度及（d）韧性与对苯二甲酸摩尔含量（n_PTA）之间的关系。

PBAT-co-PGA的水汽阻隔性能是由PTA和GA的含量所决定。提高n_PTA和n_GA会增加聚合物链的刚性，从而提升了共聚酯水汽阻隔性（图3）。

图3. PBAT和PBAT-co-PGA以及常用生物可降解包装材料水汽透过率的比较。

GA的存在和L_BT的减少均有助于提高共聚酯的酶和非酶的水解性能（图4和5）。由于PBAT-co-PGA晶体结构在降解过程中较PBAT更容易被破坏，因而其降解性得以提高。

图4. PBAT和PBAT-co-PGA的水解性能。（a）氢氧化钠水溶液中降解，（b）假丝酵母脂肪酶（CRL）水溶液中降解，（c）CRL降解过程中共聚酯重均分子量（Mw）及（d）碱水解后共聚酯膜外观的变化。

图5. PBAT和PBAT-co-PGA在人工海水中降解。（a）薄膜质量变化，（a）共聚酯重均分子量（Mw），（c）PBAT降解前后DSC曲线及（d）PBAT-co-PGA（A₄₂T₄₅G₁₃）降解前后DSC曲线。

共聚酯薄膜的户外使用稳定性非常重要，研究表明PBAT-co-PGA较PBAT具有更好的户外使用性能。

相关成果近期以“Synthesis of Poly(butylene adipate terephthalate)-co-poly(glycolic acid) with Enhanced Degradability in Water”为题发表在Macromolecules上，并被遴选为当期封面。论文的第一作者为浙江大学化学工程与生物工程学院博士研究生姜冰雪，通讯作者为浙江大学化学工程与生物工程学院、浙江大学衢州研究院王文俊教授和杨轩研究员。该团队已在生物可降解和生物质基环保高性能材料方面开展了系列工作（ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2017, 5, 10342; ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2018, 6, 6654; ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2019, 7, 4147; Carbohydrate Polymers, 2020, 247, 116687; Polymer, 2020, 197, 122518; Carbon, 2021, 172, 31; Green Chemistry, 2023, 25, 4696；ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2023, 11, 9947等）。相关工作获国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省“尖兵”“领雁”研发攻关计划、山东省重点研发计划（重大科技创新工程）等项目的资助和支持。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.3c01403

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（责任编辑：xu）

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