鑽石舞台

背景介紹

塑料作為人們生活中不可或缺的一種聚酯材料，如何生產綠色可再生的塑料一直以來廣受關注。傳統的合成塑料的原料主要來源於化石資源中，化石資源的大量使用導致了不可避免的環境問題，人們迫切希望從可再生的生物質中尋求製備塑料的原料。當前，商業化的生物塑料大多來自於可食用生物質，因此，從不可食用生物質中製備可再生塑料引發了人們的廣泛關注。

基於此，近期洛桑聯邦理工學院的Jeremy S. Luterbacher課題組報道了一種採用木質纖維素為原料，通過一種功能化分餾的方法，由木糖製備出可再生的聚酯材料。

圖文解讀

作者針對分餾條件提出了三種分餾策略，不同的分餾策略可以得到不同的分餾效果。第一種分餾條件可以使三種組分的產率達到最大化，第二種分餾條件可以得到最高的DMGX產率，第三種分餾策略能夠最大化的得到穩定的木質素單體。因此，作者提出工業化生產可以根據原料、市場、地理因素等方面考慮，從而再選擇合適的生產工藝。

作者隨後採用不同的二醇與DMGX聚合，製備了一系列不同的聚酯材料並對其做了表徵。作者發現由乙二醇和1，3-丙二醇聚合得到的PEX和PPX擁有與其他聚酯材料不同的分子量，作者推斷可能是由於在合成過程中高溫導致的熔體粘度過高，難以得到高分子量的聚酯，因此也導致了難以進行機械加工。DSC證實合成的一系列的聚酯材料均有比商業生物基塑料更高的玻璃化轉變溫度Tg，因此，這種方法得到的聚酯材料擁有更好的可加工性能，可用壓縮成型(g)、真空成型(h)、注塑成型(i)、擠出後3D打印(j)等多種加工方法進行加工。作者還對雙螺杆擠出和3D打印加共前後的聚酯PHX（由1，6-己二醇聚合）進行表徵，結果顯示在反應前後化學機構無變化，證明PHX可以承受高溫，高剪切處理，無實質性降解。

隨後，作者對力學性能和透氧透水性能進行測試。力學性能顯示合成聚酯擁有較好的抗拉強度(63-70MPa)；斷裂伸長率則隨着聚合的二醇鏈長而增加，但會影響抗拉強度。作者還發現聚合物前體的立體化學性質對力學性能存在影響，由單一立體異構體合成的1s-PPTX的抗拉強度明顯提高，作者提出可以通過調整PAX聚合物的立體化學性質來控制聚合物的性能。

透氧透水性能測試顯示，PAX聚酯的氧氣透過率與生物基塑料PET相近，但擁有更高的透水性能，這是由於DMGX單體擁有更好的親水性所導致的。

由於DMGX單體純度影響，合成的聚酯均帶有顏色，作者提出可通過重結晶的方法除去有色雜質，同時通過優化催化劑和抗氧化劑可以減少在縮聚過程中的變色副反應。作者最終合成了接近無色和透明的PHX聚酯(f)，但未優化催化劑生產的PAX聚合物中的有色雜質並未對聚酯的性能產生實質性的影響。

之後，作者對聚酯材料的可回收性進行考察。作者在酸性甲醇中對聚酯進行回收，DMGX回收率達到了96%，而且PAX在混合塑料中也可實現回收。作者利用回收的單體再聚合製備，得到的回收聚合物與原始聚合物在熱力學性能、化學結構上均無明顯變化。

考慮到聚酯材料的使用壽命的問題，作者對聚酯PHX在水存在下的物理化學性質進行討論。分別在pH=2、7的室溫條件下測定水解穩定性。77天後，PHX的分子量出現大幅下降，但熱力學性質基本保持不變。173天後，pH=2的水中，塑料基本完全溶解；pH=7的水中，47wt%塑料保持不變。在pH=7的高溫水條件下，聚酯在13天無質量變化，20天後完全溶解。證明了合成聚酯相較於商業聚酯擁有更好的降解性能。

最後，作者對聚酯材料合成進行技術經濟分析，通過採用商業木糖進行生產的DMGX的成本要低於PLA的市場價格價格。

總結與展望

1、作者提出了一種功能化分餾木質纖維素的方法，在實現組分分離的同時得到可再生聚酯前體。

2、由木糖可製備一種可降解聚合物PAX，擁有較好的力學性能和機械加工性能。

3、合成的聚酯擁有很高的可回收性能，且回收過程不會對聚酯的再合成產生影響。