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青島科大沈勇、李志波團隊在可降解壓敏膠材料方面取得新進展

來源:青島科技大學      2023-08-14
導讀:聚合物材料被廣泛應用于各行各業(yè),極大改善了我們的日常生活,但塑料的大量生產(chǎn)和不當處置導致了嚴重的全球環(huán)境問題。除了開發(fā)更多有效的策略來實現(xiàn)商品塑料的化學循環(huán)外,開發(fā)可閉環(huán)回收聚合物被認為是解決塑料污染問題的最有吸引力的策略。在過去的幾年中,文獻報道了多種可閉環(huán)回收聚合物,但這些全新的聚合物所用的單體大多結(jié)構復雜、價格昂貴、合成耗時。利用商品化單體制備可閉環(huán)回收聚合物,可以部分解決這一挑戰(zhàn),推動可閉環(huán)回收聚合物的工業(yè)化和實際應用,具有重要意義。

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圖1.(a)利用δ-取代六元環(huán)內(nèi)酯制備可閉環(huán)回收聚酯;(b)引發(fā)劑、有機堿以及脲的化學結(jié)構

青島科技大學化工學院沈勇/李志波團隊近年來在閉合循環(huán)高分子材料的設計合成方面取得了系列進展。他們利用自主研發(fā)的環(huán)狀有機磷腈超強堿CTPB與脲組成二元催化體系,成功制備得到高分子量聚(g-丁內(nèi)酯),實現(xiàn)了a-亞甲基-γ-丁內(nèi)酯的選擇性開環(huán)聚合和共聚(Polym. Chem.2019,10, 1231-1237;CCS Chem.,2021,2, 620-630;Macromolecules,2020,53, 3380-3389)。利用強堿/脲二元催化劑實現(xiàn)了生物基δ-己內(nèi)酯和α-亞甲基-δ-戊內(nèi)酯的化學選擇性開環(huán)聚合,制備得到可閉合循環(huán)的聚酯和彈性體材料(Angew. Chem. Int. Ed.2022,61, e202201407;Angew. Chem. Int. Ed.2022,61, e202207105;Macromolecules2022,55, 3860-3868)。通過高效化學反應實現(xiàn)生物塑料P3HB的升級循環(huán),制備得到可閉合循環(huán)聚醚酯和聚氨基酯(Macromolecules2022,55, 9697-9704;ACS Sustainable Chem. Eng.2022,10, 8228-8238)。

在本工作中,他們使用tBu-P2和脲二元催化體系,成功實現(xiàn)了商品化δ-辛內(nèi)酯(δOL),δ-十一內(nèi)酯(δUL)和δ-十四內(nèi)酯(δTL)在室溫本體條件下的“活性”/可控開環(huán)聚合(圖1)。開環(huán)聚合相對于單體濃度呈現(xiàn)一級動力學,其表觀速率常數(shù)分別為0.29,0.31和0.30 min-1。δ-取代六元環(huán)內(nèi)酯側(cè)鏈長度對聚合動力學無明顯影響。與過去報道的有機酸DPP催化體系(TOF = 0.71 h-1)相比,tBu-P2/脲二元催化體系的催化活性(TOF = 486h-1)大幅提高。進一步研究聚合熱力學發(fā)現(xiàn)δOL,δUL和δTL在25°C下的聚合吉布斯自由能分別為-0.20,-0.95和-1.34 kJ mol-1。因此,隨著側(cè)鏈取代基長度的增加,δ-取代六元環(huán)內(nèi)酯在熱力學上更易開環(huán)聚合。需要指出的是,以辛酸亞錫為催化劑,得到的三種聚酯在170°C下通過減壓蒸餾可以完全解聚回收得到高純度的δOL,δUL和δTL(產(chǎn)率~96%)(圖2)?;厥盏玫降摩奈蝗〈h(huán)內(nèi)酯可重新聚合,聚合效果與初始單體沒有區(qū)別。

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圖2.δOL的“活性”/可控開環(huán)聚合

進一步地,作者利用δOL,δUL和δTL與L-丙交酯(l-LA)一鍋法順序開環(huán)聚合分別制備了三種三嵌段共聚物,這些三嵌段共聚物可作為壓敏膠粘劑使用,且不需要添加增粘劑或其它添加劑,其中PLLA-b-PδOL-b-PLLA的180°剝離強度與商品化壓敏膠相當(圖3)。利用辛酸亞錫為催化劑,將制備得到的三嵌段共聚物在100°C下與乙醇回流,通過減壓蒸餾可以分離得到高純度的乳酸乙酯(產(chǎn)率~95%)和δ位取代六元環(huán)內(nèi)酯單體(產(chǎn)率~93%)(圖4)。這項研究為利用商品化單體制備化學可回收聚合物提供了一種新策略,向?qū)嶋H應用向前邁進了一步。

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圖3.制備得到的三嵌段共聚物180°剝離強度測試結(jié)果。PSA-1: PLLA-b-PδOL-b-PLLA, PSA-2: PLLA-b-PδUL-b-PLLA以及PSA-3: PLLA-b-PδTL-b-PLLA

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圖4.核磁氫譜:(a)原始δOL(b)乳酸乙酯(c)回流后混合物(d)PLLA-b-PδOL-b-PLLA

相關論文發(fā)表在Macromolecules(論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.3c00920)。青島科技大學化工學院碩士研究生徐琛為論文的第一作者,沈勇教授和李志波教授為論文的通訊作者。該項工作得到了國家自然科學基金、山東省泰山學者人才工程的資助。

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