论文概述

      石河子大学王自庆团队采用聚碳酸丁二酯(PBC)和环氧大豆油(ESO)，对聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯(PBAT)进行共混改性，制备得到一系列PBAT/PBC/ESO复合材料。通过相关表征研究了ESO含量和PBC含量对PBAT/PBC复合材料微观结构和性能的影响，并对ESO的增容机理进行了深入探究，为制备高性能PBAT复合材料提供了有价值的参考。

研究背景

       塑料及塑料制品的广泛使用，在为人类社会带来极大便利的同时，也引发了日益严重的“白色污染”和“微塑料”问题。在众多缓解措施中，开发和推广具有生物降解特性的环境友好型聚合物，被认为是解决“塑料污染”问题的最理想选择。目前，在众多环境友好型聚合物中，PBAT具有良好的生物降解特性、力学性能和加工性能，已经实现大规模生产和应用。但是，PBAT的长链线性结构，导致其存在阻隔性能和模量偏低等缺陷，限制了PBAT应用领域的拓展。

       另一方面，PBC是以CO₂和丁二醇为原料，经直接法或间接法获得的一种具有良好生物降解性和力学性能的环境友好型高分子材料。热形变温度低导致PBC成型加工困难，限制了PBC在薄膜制品领域的应用。大量研究发现，PBC与其他环境友好型聚合物的复合一方面可以改善复合材料的韧性，另一方面也有效解决了PBC的吹膜加工问题。然而，关于PBC改性PBAT的研究则未见报道。

图文解析

基于上述背景，石河子大学王自庆团队以ESO作为PBAT和PBC的增容剂，采用熔融共混法制备了一系列PBAT/PBC/ESO复合材料。添加了ESO后，复合材料中PBAT与PBC的熔点差逐渐减小(图1)以及拉伸断面的SEM图像显示复合材料中的分层现象消失，并出现线状纤维结构(图2)表明PBAT/PBC复合材料的相容性显著提升，这是由于ESO中的环氧基团通过与PBAT和PBC的端基发生开环反应(图3)；另一方面是由于环氧基与PBAT、PBC中的酯基形成了氢键(图3a)。

图1 不同ESO添加量PBAT/PBC复合材料的DSC一次升温曲线 (E-0为PBAT:PBC:ESO=80/20/0, E-1为PBAT:PBC:ESO=80/20/1, E-3为PBAT:PBC:ESO=80/20/3, E-5为PBAT:PBC:ESO=80/20/5, E-7为PBAT:PBC:ESO=80/20/7, E-9为PBAT:PBC:ESO=80/20/9)

图2 不同ESO添加量PBAT/PBC复合材料的拉伸断面SEM图 (a) E-0, (b) E-1, (c) E-3, (d) E-5, (e) E-7, (f) E-9

图3 不同ESO含量PBAT/PBC复合材料的(a) 红外光谱图，(b) XRD曲线

       力学性能测试结果表明，当ESO的含量由0 wt%增加到7 wt%时，PBAT/PBC复合材料的断裂伸长率由353%增加到805%，这是高含量ESO对复合材料的增塑作用所致；另一方面，ESO与PBAT和PBC端基反应提升了复合材料的界面相容性，改善了分子链的柔韧性(图4)。

图4 不同ESO添加量PBAT/PBC复合材料的应力-应变曲线

       基于以上研究可以发现，ESO的添加可以改善PBAT和PBC的相容性，进而改善PBAT/PBC复合材料的延展性等应用性能。以7 wt%的ESO为增容剂，采用熔融共混法制备一系列不同PBC含量的PBAT/PBC复合材料，并考察了PBC含量对复合材料阻隔和力学性能的影响(图5)。结果表明，PBAT/PBC复合材料对氧气和水蒸气的阻隔性能介于PBAT和PBC之间，PBC含量的增加可以显著改善复合材料的阻隔性能(图5a)。由图(5b)可以发现复合材料的弹性模量随着PBC含量的增加而急剧增大，说明PBC含量的增加可以显著改善复合材料的刚性。采用并联(Parallel)和串联(Series)模型对PBAT/PBC复合材料的弹性模量进行了理论预测，复合材料的弹性模量值介于并联模型和串联模型数值之间，表明复合材料中PBAT和PBC为部分相容，与热性能和SEM测试结果可以很好吻合。

图5 不同PBC添加量PBAT/PBC复合材料的(a) 氧气水蒸气阻隔性能，(b) 弹性模量曲线

文章总结

       将环保、可再生的ESO用作反应型增容剂，通过熔融共混制备了一系列PBAT/PBC复合材料，并对复合材料的各项性能进行了表征。结果表明，ESO与PBAT和PBC的端羟基、端羧基发生开环反应，成功地提高了PBAT/PBC共混物的相容性。SEM图像表明添加ESO后，复合材料中的分层现象消失，并出现线状纤维结构，进一步证明了相容性的提升。同时，ESO的添加显著提高了复合材料的延展性，与PBAT相比，添加了7 wt% ESO的PBAT/PBC复合材料的断裂伸长率由363%提高至805%。随着PBC含量由0 wt%增加至80 wt%，复合材料的氧气和水蒸气阻隔性能分别提高了73%和64.7%，弹性模量增加了254%。综合以上结果可知，将PBC和ESO作为改性材料可以显著提升PBAT的综合性能，有望拓宽PBAT的应用领域。

     上述以研究论文的形式在《高分子学报》2024年印刷出版。

引用本文：

魏鑫, 王培贤, 王明亮, 黄东, 魏忠, 宋晓玲, 王公应, 王自庆.可生物降解聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯/聚碳酸丁二酯共混物的制备及其性能.高分子学报,2024,doi:10.11777/j.issn1000-3304.2024.24100Wei, X.; Wang, P. X.; Wang, M. L.; Huang, D.; Wei, Z.; Song, X. L.; Wang, G. Y.; Wang, Z. Q.Preparation and characterization of biodegradable poly(butylene adipate-co-terephthalate)/poly(butylene carbonate) blends.Acta Polymerica Sinica,2024,doi:10.11777/j.issn1000-3304.2024.24100

原文链接：

http://www.gfzxb.org/thesisDetails#10.11777/j.issn1000-3304.2024.24100&lang=zh