作者:徐铁齐等 来源:《自然—化学》 发布时间:2022/11/8 8:34:54
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利用偕二烷基策略构建类聚烯烃可循环聚酯平台

 

近日,大连理工大学徐铁齐教授与美国科罗拉多州立大学Eugene Y.-X. Chen合作,通过偕二烷基策略构建了类聚烯烃可循环聚酯平台,开发出一类具有优异物理性能的新一代可循环聚酯塑料。

北京时间2022年11月8日,该研究成果以“A circular polyester platform based on simple gem-disubstituted valerolactones”为题,发表在Nature Chemistry期刊上。

塑料被认为是20世纪最伟大的发明之一,它价格低廉、重量轻、具有延展性和耐用性,有着极为广泛的应用。但是,塑料自身的化学惰性使其在环境中长期积累造成“白色污染”,同时,大多数塑料需要通过焚烧和填埋的方式进行终结,从而进一步污染环境。防止塑料污染与防止其它类型污染一样,最好的解决办法是在源头阻止污染。

设计具有内在化学回收性的闭环聚合物或生物降解性聚合物是解决当前塑料问题的一个有效手段。能够高选择性和高纯度地将聚合物返回到聚合前体的能力会推动循环经济的发展。单体的设计是构建循环聚合物的核心,但由于既要兼顾聚合物的循环性与性能,又要兼顾聚合物的可聚合性和降解性,单体的设计面临巨大的挑战。这种挑战的难点来源于发展一种既具有化学回收性又有用的闭环聚合物需要面对动力学、热力学以及实际性能的多种要求。

在这项工作中,作者以商业化的生物基δ-戊内酯为原料,构建了一个基于偕二烷基取代的六元环酯的高性能闭环聚酯平台。戊内酯上偕二烷基不仅实现了聚合物的化学循环性也使聚合物具有出色的物理性能。

图:偕二烷基取代策略构建高性能可循环聚酯

作者从戊内酯出发通过“一锅法”高产率地得到了一系列烷基取代戊内酯。热力学实验表明,偕二烷基取代的戊内酯(VLR2)聚合反应的上限温度明显低于δ-戊内酯,这表明其所形成的聚合物具有更好的解聚性。双烷基取代的内酯在温和条件下生成分子量可控的聚酯PVLR2,生成的PVLR2在温和条件下(300°C热解或150°C催化热解)选择性解聚,完全转化为单体,这些单体在聚合性/解聚性上达到了理想的平衡。回收的单体无需纯化可以重新聚合形成相同的聚合物,从而实现单体-聚合物-单体的闭合循环。

图1:(a). α,α-二烷基-δ-戊内酯(VLR2)的合成和聚合解聚循环;(b). 单体的聚合上限温度(Tc

取代基链的长度可有效调控聚酯材料的物理性能。随着取代烷基链长度的增加,聚合物的熔点先增加,PVLEt2的熔融转变温度Tm值最高,达到140 ℃,与HDPE相当,超过PBAT(138℃)。进一步增加取代烷基链的长度,聚合物的熔点和玻璃化转变温度逐渐下降,PVLPr2Tm为123 ℃与LDPE的Tm值相当。

图2 :(a).PVLEt2的DSC曲线;(b).PVLPr2的DSC曲线;(c).PVLR2TmTg值及趋势

力学性能方面,PVLPr2具有高的拉伸强度(σB = 44.0±2.6 MPa)、好的延展性(εB = 209±13%)和韧性(UT = 57.2 MJ m-3),屈服点后出现了显著的应变硬化现象(σy = 20.7±0.3 MPa),力学性能优于LDPE。PVLPr2的拉伸强度甚至高于HDPE(σB = 21.4±0.5 MPa)。VLEt2(11%)和VLPr2(89%)共聚物PVLEt2/Pr2的力学性能进一步得到提升,极限拉伸强度达到σB = 47.1±0.3 MPa、断裂伸长率达到εB = 322±1.4%和韧性达到UT = 79.7 MJ m-3。此外,PVLPr2和PVLEt2/Pr2还具有优异的阻隔性能,PVLPr2和PVLEt2/Pr2的氧气渗透率值明显低于LDPE,水蒸气透过率WVTR值与LDPE相当。上述这些结果表明PVLPr2和PVLEt2/Pr2是在包装应用领域替代LDPE的杰出候选者。

 

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图3:(a).应力/应变曲线;(b).氧气渗透率;(c).水蒸气透过率

该工作为构建高性能可循环聚合物提供了一种新的思路,有望加速高性能可循环聚合物发现进程,推动可循环聚合物在现实世界中的应用。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41557-022-01077-x

 
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