化學交聯可以有效地增強聚合物的熱穩定性和耐溶劑性,使得化學交聯聚合物(Chemicallycross-linked polymers,CCPs)廣泛應用于涂料,彈性體,粘合劑和泡沫塑料等領域。然而,這類聚合物材料主要有兩大環境問題:首先,幾乎所有的CCPs是石油基聚合物,除了使用不可再生的資源之外,在自然環境中通常難以被生物所降解。其次,CCPs由于化學連接點的存在,使得原有的聚合物循環過程被打破,只能將其作為較低價值的材料使用,或通過焚燒產生能量,或被填埋置于環境中。然而,可生物降解材料既可以降低廢物管理回收的成本又可以防止廢物在環境中的積累,因此開發可生物降解的CCPs替代品是至關重要的。
我們都知道,酯鍵是一種容易水解的官能團,聚酯則是一類常見的可生物降解聚合物。近期,美國明尼蘇達大學化學系的Marc A. Hillmye教授、康奈爾大學化學與化學生物學系的Geoffrey W. Coates教授以及瑞士蘇黎世聯邦理工學院的Michael Sander教授共同開發了一種可再生的生物基內酯,并以其合成聚酯彈性體。該可再生彈性體具備與商品化CCPs彈性體可比的機械性能,并且兼備優異的生物可降解性能。
研究者利用γ-甲基-ε-己內酯(MCL)的開環聚合生成預聚物,再使用新型雙(β-內酯)作為交聯劑,合成彈性體聚合物網絡,并詳細考察了其機械性能以及生物可降解性能。 該雙(β-內酯)是一類來源于生物質的具有較高環張力的雙四元環內酯化合物。研究者首先考察了單官能度β-內酯的開環反應,根據監控反應過程中的核磁氫譜信號變化,證實了辛酸亞錫催化下的開環反應經歷“?;?氧”斷裂機理。 在之后的性能考察中,他們選擇普通的聚異戊二烯基彈性體作為高性能彈性體(RB),將其彈性性能與所制備的聚酯彈性體(CE-X)進行比較。從圖4的DMA曲線中,可以看出橡膠平臺模量在整個溫度掃描過程中相對恒定,這表明彈性體聚合物網絡在測試過程中得以保持,也從側面證實了交聯網絡的形成。從圖5的應力-應變曲線中可以看出,CE-32彈性體在極限拉伸強度和伸長率方面優于商品橡膠帶。此外,商品橡膠帶的滯后損失能量在第一次循環時比CE-32彈性體大得多,體現了該類彈性體較小的能量損耗特性。
最后,研究者利用Fusarium solani cutinase酶,采用pH滴定法和總有機碳分析法(TOC法),監控了在pH=7,2-40°C(模擬天然土壤條件)下聚酯彈性體的水解過程(圖7、圖8)。其實驗結果表明了該類聚酯的較強酶水解的敏感性,有望作為可生物降解的彈性體使用。
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