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    天津大學張坤玉課題組:新型功能化離聚物彈性體增韌改性聚乳酸的研究
    2020-07-09  來源:高分子科學

      高分子材料以其性能優良、成本低廉、易加工成型等優點,在日用品、汽車、電子產品等領域獲得廣泛的應用,為人類社會經濟發展做出重要的貢獻。然而,傳統的高分子材料大多來源于不可再生的石化資源,面臨資源緊缺的問題,而且石油基塑料制品往往在自然環境中難以降解,大量塑料廢棄物已經造成了嚴重的環境污染,給人類賴以生存的地球環境造成生態破壞等負面影響。作為解決以上問題的重要思路之一,發展生物基可降解的高性能高分子材料勢在必行,受到學術界與企業界的極大關注。作為商業化最為成功的生物基塑料之一,聚乳酸(PLA)兼備優異性能和性價比的優勢,已經成為了最具有發展潛力的環境友好可降解生物基高分子材料。PLA材料可作為石油基塑料的替代品廣泛應用于在食品包裝、餐具、汽車、電子產品和半結構緩沖包裝等領域,具有廣闊的發展前景。然而,脆性嚴重的缺陷極大地限制了PLA的應用發展,如何實現其高效低成本的增韌改性成為PLA材料研究的核心挑戰之一。


      天津大學化工學院張坤玉課題組一直致力于面向高附加值領域應用的高性能生物基高分子共混物和復合材料的研究(ACS Appl. Mater. Interfaces 2012, 4, 3091-3101; ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 12436-12448; ACS Sustainable Chem. Eng. 2014, 2, 2345-2354)。近期,課題組針對PLA共混增韌體系中組分相容性差、界面粘結力弱這一關鍵挑戰,提出以新型功能化離聚物為PLA的高效增韌劑,通過化學后改性與熔融共混相結合的改性策略,制備高韌PLA基共混材料,以拓寬聚乳酸的應用范圍。課題組首先設計一系列咪唑單體作為商業化溴丁基橡膠(BIIR)的化學改性劑,通過高效易實施的季胺化反應,合成了一系列含有不同咪唑陽離子的結構新型BIIR離聚物彈性體。隨后,采用簡單高效的熔融共混方法,制備了高性能聚乳酸-離聚物彈性體共混材料,并對體系結構與性能關系進行了詳細系統的研究,揭示離子基團結構-相形為-物理性能之間的內在規律。


      在本文中,作者首先設計一系列含不同烷基鏈長度的咪唑單體,與溴丁基橡膠通過季胺化反應獲得一系列BIIR離聚物,反應和所得離聚物結構性能如圖1所示。離子基團的引入可以賦予溴丁基橡膠離聚物更為優良均衡的物理性能和極性。



    圖1. 不同溴化丁基橡膠離聚物的合成路線圖及相關物理性能


      利用所得離聚物彈性體與PLA熔融共混,可有效改善彈性體與PLA基體間的相容性與界面粘結,從而獲得具備良好韌性的PLA基材料。作者通過離子基團結構與性能之間關系的分析,揭示含長烷基鏈咪唑鎓基團的離聚物表現出最優的物理性能,這與長烷基鏈有利于離子基團與PLA分子鏈產生非價鍵相互作用直接相關(如圖2所示)。該研究充分利用有機陽離子的結構可設計性,結合了化學后改性與熔融共混改性的優點,為發展針對生物基聚酯的綠色增韌改性劑提供了新的思路。



    圖2. 純PLA和不同共混體系的沖擊斷面SEM圖像及增韌機理示意圖


      該論文的第一作者為天津大學陳璐碩士,通訊作者為天津大學化工學院張坤玉副教授和天津大學材料學院李悅生教授。該項工作得到國家自然科學基金面上項目(No. 51573130)的資助。該論文發表于Chinese Journal of Polymer Science 2018年第12期。


      原文鏈接:https://link.springer.com/article/10.1007/s10118-018-2143-6

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