吉林大学孙俊奇教授团队 AFM: 基于动态交联策略制备高强度、可多次加工和可降解的生物基超分子塑料

2022-09-09 来源：高分子科技

传统塑料由于不可降解和难以多次加工利用，引发了严重的环境污染和资源浪费等问题。尽管科学家们已开发出多种可降解塑料，但它们仍然存在力学性能不足、降解效率低和自然环境下降解困难等问题。以聚乳酸（PLA）塑料为例，虽然其强度较高，但韧性较差，降解需要在堆肥条件下才能实现。因此，亟需发展既具有高力学性能，又可在自然环境中快速、高效降解的可降解塑料。

为解决上述问题，吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室孙俊奇教授课题组将生物基材料环氧大豆油（ESO）和低分子量的PLA（~2 kDa）基于硼氧六环进行动态交联，制备了具有高力学强度、可多次加工利用和能够在土壤中快速、高效降解的超分子塑料（简称ESO-PLA）。具体地，将3-氨基苯硼酸分别接枝到ESO和低分子量PLA上，然后将两者按特定比例在四氢呋喃（THF）溶液中复合，经溶液加工即可制备薄膜及各种形状的ESO-PLA超分子塑料制品（图1）。在相对湿度为~30%的环境中，ESO₄-PLA塑料（塑料中ESO和PLA的质量比为4:1）的断裂拉伸强度高达43.0 MPa；在相对湿度为~100%的环境中，该塑料的强度仍能保持在19.5 MPa，说明ESO₄-PLA塑料具有高的强度，且在高湿环境中仍可正常使用（图2）。硼氧六环动态交联产生的三维交联网络结构赋予超分子塑料优异的力学强度，ESO及PLA的疏水性赋予塑料良好的耐水性。即使将ESO₄-PLA塑料长期浸泡在水中，塑料也不会发生解离，并能保持较强的力学强度。

图1. (a) ESO₄-PLA塑料的制备过程及结构示意图；(b,c) ESO₄-PLA塑料薄膜及餐具；(d) ESO₄-PLA塑料的红外谱图。

图2. (a) ESO₄-PLA塑料的应力-应变曲线；(b) ESO₄-PLA塑料的热力学性能；(c) 湿态ESO₄-PLA塑料的应力-应变曲线；(d) 湿态ESO₄-PLA塑料的重物承载能力展示。

得益于塑料内部硼氧六环的动态可逆性，ESO₄-PLA塑料具有优异的可多次加工及循环利用性能。基于热压的方法，ESO₄-PLA塑料可以实现焊接加工，焊接后的塑料具有与初始塑料相当的力学性能（图1a）。这一性能使得ESO₄-PLA塑料可以加工成吸管、包装袋等塑料制品（图1b, c）。此外，废弃的ESO₄-PLA塑料碎片可通过热压重塑的方式，恢复其原始的完整性和机械强度，有效实现多次循环利用（图1d, e）；该循环利用过程也可以通过将ESO₄-PLA塑料溶解在乙醇中，经过溶液加工的途径来实现（图1 e）。ESO₄-PLA塑料优异的可加工及多次循环利用性对减少塑料消耗具有重要意义。

图3. (a) ESO₄-PLA塑料的焊接加工性能；(b,c) ESO₄-PLA塑料制品； (d) ESO₄-PLA塑料的可循环利用性能；(e) 多次循环利用后的ESO₄-PLA塑料的应力-应变曲线。

ESO₄-PLA塑料膜具有在土壤中快速、高效降解的能力。厚度为~50 μm的塑料膜在埋入土壤中约60天后会完全降解（图4a）。在土壤中水和微生物的作用下，塑料薄膜发生溶胀，内部的硼氧六环解离，塑料破碎，并不断释放出易降解的ESO分子及PLA链段（图4b）。这些组分可被土壤中的微生物快速降解为环境友好的二氧化碳、水及苯硼酸衍生物等无毒物质。细胞实验和动物实验表明ESO₄-PLA塑料无毒无害。作者认为，动态交联低分子量、易降解聚合物这一策略将为制备具有优异力学性能、可循环利用及可降解的聚合物材料的提供新的设计思路。

图4. (a) ESO₄-PLA塑料在土壤中的降解性能；(b) ESO₄-PLA塑料降解机理示意图。

该工作以“Dynamically Cross-Linking Soybean Oil and Low-Molecular-Weight Polylactic Acid towards Mechanically Robust, Degradable and Recyclable Supramolecular Plastics”为题发表在《Advanced Functional Materials》上（DOI: 10.1002/adfm.202208623）。论文第一作者为吉林大学博士后房旭，通讯作者为吉林大学孙俊奇教授。

论文下载地址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202208623

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（责任编辑：xu）

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