生物降解高分子在模拟实际环境条件下的降解动力学及其降解可控性研究

In order to meet the requirement of controllability in degradation speed of biodegradable polymers for specific fields, we propose to conduct a study under simulative condition of real environments on degradation behavior of the blends of polylactic acid (PLA), the most industrialized synthesized bio-based biodegradable polymer and poly (butyleneadipate-co-terephthalate) (PBAT), a petroleum based biodegradable polymer, at a number of different weight ratios. The degradation speed of PLA component and PBAT component will be obtained by calculating the ratio of bio-carbon to fossil carbon of the evolved carbon dioxide during degradation of the blends. Their biodegradability and change in microbial community will be studied, and their morphological, structural and thermal mechanical behavior will be investigated by means of DSC, SEM, FTIR，GPC，TG and EA. On this basis, we will investigate the degradation mechanism of PLA/PBAT blends, construct a degradation kinetic model, and analyze the effect of composition on the degradability and degradation speed. The project is aimed at establishing a methodology of building a degradation kinetic model in a simulated environment, clarifying the way to fit and correct the degradation kinetic model using the data obtained from degradation process, and providing a method to predict the degradability and controllability of polymers. The research results of present project will develop a new research ideal and a new solution to prepare the controllable degradable materials, and lay a scientific foundation for the further development of controllable biodegradable polymers.

针对特定领域对生物降解高分子材料降解速度的可控性要求，本项目以目前工业化规模最大的生物基降解高分子聚乳酸（PLA）和石油基生物降解聚高分子对苯二甲酸-己二酸-丁二酯（PBAT）为模型体系，研究二者不同比例的共混物在土壤和堆肥实际环境模拟条件下的降解行为。通过测定降解产物二氧化碳中生物碳与石化碳比例来计算PLA和PBAT各自的降解速度，结合测得的生物降解率、微生物群落变化情况以及DSC、SEM、FTIR、GPC、EA等分析表征结果，建立PLA/PBAT的降解动力学模型和探究其降解机理，弄清共混体系组成不同对降解性和降解速率的影响规律。通过本研究，确立一种在模拟实际环境条件下建立降解动力学模型的方法，阐明如何将降解过程中各种参数用于降解动力学模型的拟合及修正，并将其用于材料降解速率与可控性的模拟预测，从而为设计制备可控降解材料提供一种新的研究思路与解决途径，为发展可控生物降解塑料打下科学基础。

项目针对特定领域对生物降解高分子材料降解速度的可控性要求，建立了堆肥条件下生物降解测定装置及其模拟实际土壤条件下的生物降解试验体系，以聚乳酸（PLA）和聚对苯二甲酸-己二酸-丁二酯（PBAT）为模型体系，研究二者不同比例的共混物在土壤和堆肥实际环境模拟条件下的降解行为，初步弄清了共混体系组成不同对降解性和降解速率的影响规律。.土壤条件下，PLA/PBAT共混物的降解行为研究发现：PBAT、PLA、PBAT/PLA样品降解后残留样品的红外光谱特征峰基本和降解前的样品相同；降解后PBAT、PLA和PBAT/PLA样品元素分析的分子结构中碳原子含量降低而氧原子含量升高；降解前后PBAT和PLA样品电镜照片显示PBAT和PLA具有不同的降解机理； PBAT/PLA共混物降解前后各组成部分的熔融温度和熔点变化显示，共混物降解基本遵循各自单一聚合物的变化过程。.堆肥条件下，PLA的生物降解率高于PBAT，共混物的生物降解率随着PBAT含量的增加而降低，且在降解初期PLA的降解产物会促进水解；PLA、PBAT及其共混物在堆肥降解前期只是大分子链水解为小分子链的过程，不发生分子链的结构变化；PLA及PBAT的降解会先发生在无定形区，共混物中PLA在无定形区的降解速度受到PBAT的影响而变慢；共混物在堆肥试验初期的降解以水解为主。.研究表明，PBAT和PLA是部分相容的体系，反应型相容剂可以改善两者的相容性，提高其物理性能。在不同生物聚酯间共混及降解机理研究时发现，由于PHBV、PHBH、PLA、PBAT等材料在同样条件下的降解速率和降解机理不尽相同，它们共混物的降解速率也随共混比例而表现出不同的降解性能，在此基础上，获得了降解速率可控的生物降解材料制备技术，申请了国家发明专利并获得授权ZL201310009025.3。该项国家发明专利于2016年授权深圳市虹彩新材料科技有限公司实施使用（专利实施许可费260万元），实现了产业化应用。.项目研究过程中，发表标注有基金的论文21篇，其中SCI收录7篇，授权国家发明专利5项，制定国家标准4项，出版编著1本，培养研究生8名。