中科院宁波材料所在聚乳酸增韧改性研究方面取得进展

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聚乳酸（PLA）是目前应用潜力最大的可降解生物基塑料，具有高模量和高强度等优异的力学性能。在一次性使用制品如食品包装、餐具、水杯、育苗钵和电子产品缓冲包装等领域具有广阔的应用前景，可有效避免和缓解当前不可降解的石油基塑料造成的“白色污染”等环境问题。因此，大力推进以PLA为代表的可降解生物基材料的使用，是实现绿色可持续发展的重要举措。
然而PLA脆性大、韧性差、抗冲击和抗撕裂强度低，对缺口敏感，因此在上述领域的实用价值受到极大限制，需对其进行增韧改性。传统的增韧体系一般包括增塑剂、无机/有机刚性粒子、热塑弹性体和可降解塑料等。增塑剂属于小分子增韧体系，易迁出；刚性粒子与PLA基体的界面相容性较差，难以获得优异的增韧改性效果。而热塑弹性体和可降解塑料均无法在兼顾PLA优异的力学性能如高模量和强度及其可降解性能的前提下获得优异的增韧改性效果。
针对这一问题，中科院宁波材料所高分子事业部生物基高分子材料团队结合热塑弹性体和可降解塑料的增韧改性优势，设计合成了一系列基于非平面环的可降解热塑弹性体作为大分子增韧助剂并用于PLA的增韧改性，取得了一系列重要进展。
以1,4-环己烷二甲酸（CHDA）（图1）为代表的含非平面环结构化合物是一类既具有类似于平面苯环刚性，又具有脂肪链柔性和可降解性的化合物。其饱和六元脂环结构具有丰富的立体化学结构变化，不仅具有顺式和反式构型转变，也具有船式和椅式构象转变。研究人员首先将CHDA非平面环结构引入传统含软段热塑聚醚酯弹性体PBT-PTMG中，发现通过调控CHDA的含量和顺反构型比例，可以方便的调控产物的力学和热学性能（图2）（相关工作发表在RSC Advances, 2015, 5, 94091-94098）。在此基础上，抛弃传统热塑聚醚酯弹性体结构中所必须的聚醚软段结构，充分利用CHDA的立体化学结构变化特征，仅通过调控分子链中顺式CHDA的含量，成功获得综合性能优异的可降解无软段热塑弹性体PBC（图3）（相关工作发表在Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3, 13637，并已申请国家发明专利201410609985.8）。在此基础上，通过引入己二酸共聚单体调控其与PLA的相容性，获得具有一定脂肪链含量的可降解热塑共聚酯弹性体PBAC，并将其用于PLA增韧。经增韧改性后的PLA断裂伸长率和抗冲击强度显著提高，取得了良好的增韧改性效果（图4）（相关工作发表在Composites Science and Technology, 2016, accepted）。下一步，研究人员将针对增韧改性机理及改性后的PLA可降解性能等进行系统深入的研究和评价，为推动PLA的大规模市场化应用奠定基础。
上述工作得到宁波市自然基金（2014A610135）和国家自然科学基金青年基金项目（51503217）的支持，相关工作还荣获2015年全国高分子学术论文报告会优秀墙报奖（2015年10月17-21日，苏州），获得了国内同行的广泛关注和好评。

图1. CHDA的立体化学结构变化示意图

图2. CHDA调控传统聚醚酯弹性体性能

图3. 无软段热塑弹性体PBC

图4. 可降解热塑弹性体PBAC增韧PLA

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