東華大學王華平科研團隊採用酶催化體系一步法成功製備生物可降解PBSA共聚酯

2021-02-13 合成纖維
聚丁二酸丁二醇酯(PBS)是一種非常重要的商業化生物可降解脂肪族聚酯品種，因其具有良好的加工性能以及一定的可降解性能，現主要用於食品包裝、農業地膜、衛生用品等領域。然而受到柔性分子結構以及高結晶度的影響，PBS的整體物理性能依然存在一定局限性，如：較低的耐熱溫度、抗衝擊強度和斷裂伸長率，以及較低的生物降解速率。目前，研究中常通過引入一些直鏈的脂肪族共聚單體，例如己二酸、癸二酸降低其結晶度，從而部分提高PBS的抗衝擊性能、斷裂伸長率和降解性能。另外，由於工業上生產PBS需要使用到例如鈦酸四丁酯、二氯化錫等金屬催化劑，而這些重金屬催化劑會一直殘留在PBS產品中，限制了PBS在諸如生物醫療等領域更為廣泛的應用。
東華大學材料科學與工程學院的王華平教授科研團隊選用條件更為溫和的酶催化體系，以丁二酸二乙酯、己二酸二乙酯、丁二醇為原料，Novozym-435(固定化CALB酶)為催化劑，甲苯為溶劑，成功製備了一系列高分子質量的聚(丁二酸丁二醇-co-己二酸丁二醇)(PBSA)三元共聚酯，取得關鍵性突破。通過反應條件的篩選，發現最佳反應條件為：在反應溫度80 ℃、酶的質量分數為10%的條件下，所製備的PBS與PBSA共聚酯的數均分子質量在18400~21200 g/mol，多分散性指數在1.7~2.0之間。研究人員採用核磁共振譜儀對製備的共聚酯產物的化學結構進行了表徵，發現CALB並沒有對不同碳鏈長度的丁二酸和己二酸有反應選擇性。TGA結果表明，酶催化體系下的PBSA共聚酯的熱穩定性要高於熔融體系下的產物。與熔融聚合相比，酶催化方法製備的PBSA共聚酯的T d,5% 值整體高約40 ℃，具有更高熱穩定性。DSC與WAXD的結果表明，引入己二酸鏈段後，PBS的熔點、熔融焓、結晶性能都出現了下降。PBSA系列共聚酯的結晶度大約在32%~54%範圍內。酶催化反應解決了傳統熔融高溫下單體產生的副反應現象以及避免了重金屬催化劑的使用問題，進一步擴大了PBSA聚酯在生物醫藥、組織工程領域潛在的應用價值。該項目的研究成果已在2020年第8期《合成纖維》上發表，論文題目為「酶催化一步法製備高分子質量PBSA共聚酯及其性能」。該文的第一作者是祁捷斐，通訊作者是烏婧副研究員，共同作者還有中國石化儀徵化纖有限責任公司的李乃祥、潘小虎以及東華大學材料科學與工程學院的王宇和王華平教授。該項目是國家自然科學基金項目(51803026)；是中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2232018D3-35)；也是中國石油化工有限公司研發項目(420039-1)。隨著我國多地紛紛出臺升級版「限塑令」，可降解材料的需求將呈指數級增長，為生物可降解新材料產業提供了巨大的發展機遇。PBSA共聚酯的應用領域廣泛，不僅可應用於食品包裝、農業地膜、衛生用品等領域，該研究成果提升了PBSA在生物醫藥、組織工程領域的應用價值。


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