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寧波材料所突破低成本全自然域降解新材料

   2024-11-01 PUWORLD

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核心提示:中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所生物基高分子材料團(tuán)隊(duì)在朱錦研究員的帶領(lǐng)下,致力于生物基可降解聚酯、海洋降解高分子的高性

 

中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所生物基高分子材料團(tuán)隊(duì)在朱錦研究員的帶領(lǐng)下,致力于生物基可降解聚酯、海洋降解高分子的高性能化及可控降解研究,開(kāi)發(fā)了多種可高效固碳、減碳的聚酯材料。

草酸可從生物質(zhì)、煤化工、二氧化碳轉(zhuǎn)化等多種途徑得到,目前價(jià)格約3500元/噸,是有望降低生物降解材料成本的重要單體之一。電催化還原CO2形成草酸的制備工藝,為以CO2為原料制備高分子單體開(kāi)辟了新的路徑。

草酸基聚酯最早問(wèn)世于1930年,因相鄰羰基的強(qiáng)吸電子效應(yīng)被賦予較快的降解能力,主要面向手術(shù)縫合線等應(yīng)用領(lǐng)域,但因草酸沸點(diǎn)低(150 ℃升華)、受熱易降解的特性,很難通過(guò)常規(guī)熔融縮聚的方式制備高分子量草酸聚酯,因而限制了草酸基聚酯材料的實(shí)際應(yīng)用。

針對(duì)上述問(wèn)題,團(tuán)隊(duì)通過(guò)篩選原料單體、復(fù)配酯化催化劑、優(yōu)化縮聚條件等方式,成功合成了數(shù)均分子量高于7萬(wàn)的高分子量淺色草酸聚酯。通過(guò)聚酯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),合成了一系列全域降解草酸共聚酯(降解速率0.2-2 wt%/天)以及高阻隔高強(qiáng)韌草酸共聚酯(拉伸強(qiáng)度可達(dá)到30-55 MPa,對(duì)氧氣和水的阻隔性為PBAT的69倍和18倍)。

在100L級(jí)反應(yīng)釜中實(shí)現(xiàn)草酸基聚酯的公斤級(jí)制備,并可與現(xiàn)有商業(yè)化可降解材料(如PLA、PBAT)等制備復(fù)合材料,能夠作為降解促進(jìn)劑提升復(fù)合材料的全域降解能力(圖1)。

相關(guān)成果以《New modifications of PBAT by a small amount of oxalic acid: Fast crystallization and enhanced degradation in all natural environments》《Melt polycondensation of poly (butylene oxalate-co-succinate) with great potential in curbing marine plastic pollution》《Fully Bio-based 2,5-Furandicarboxylic Acid Polyester toward Plastics with Mechanically Robust, Excellent Gas Barrier and Fast Degradation》為題,發(fā)表于J. Hazard. Mater.和ChemSusChem上。

在突破草酸基高分子材料合成問(wèn)題的基礎(chǔ)上,團(tuán)隊(duì)對(duì)草酸的鏈結(jié)構(gòu)特征展開(kāi)研究,通過(guò)在海水、河水、土埋、土壤表面等自然環(huán)境的降解行為對(duì)比,結(jié)合DFT計(jì)算和福井函數(shù)解析,從實(shí)驗(yàn)和模擬上驗(yàn)證草酸作為核心單體開(kāi)發(fā)全域降解材料的獨(dú)特優(yōu)勢(shì);利用草酸鏈段被H2O2等活性氧分子氧化的特性,實(shí)現(xiàn)草酸類(lèi)聚酯的可控降解(圖2)。通過(guò)不斷降低H2O2的濃度(0.01-1M),能夠?qū)崿F(xiàn)草酸共聚酯7天內(nèi)分子量迅速降低,有望實(shí)現(xiàn)降解地膜在使用周期后的快速降解。


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