生物基生物降解呋喃二甲酸共聚酯的合成、结构与性能研究

Biobased biodegradable polymers (BBPs) are one kind of biodegradable polymers whose raw materials are derived from renewable biomass resources. They represent the tendency and important development direction of biodegradable polymers. Extensive and intensive R&D of BBPs will help to resolve the problems of resource shortage and environmental pollution at scource, and therfore promote sustainable development of polymer industry. In this proposal, we propose to synthesize novel biobased biodegradable copolyesters, poly(butylene succinate-co-butylene furandicarboxylate) (PBSF) and poly(butylene adipate-co- buytlene furandicarboxylate) (PBAF), from biobased monomers 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA), succinic acid (SA) or adipic acid (AA) and butanediol (BDO) via direct esterification/melt polycondensation approach. The researches will focus on the following foundamental scientific and technological problems: (1) screening of highly efficient catalyst and optimization of the esterification and polycondensation processes and conditions; (2) kinetics and modeling of esterification and polycondensation reactions; (3) structure/property relationship; (4) biodegradation behaviors. Through theses researches, we will have thorough understanding on the synthesis, structure, properties and biodegradation and know how to regulate and control them. These work will lay the foundation of the industrialization and applications of the novel biobased biodegradable copolyesters.

本项目采用新型生物基单体-呋喃二甲酸与脂肪族二元酸(以丁二酸、己二酸为代表)及丁二醇共聚，通过直接酯化/熔融缩聚法合成生物基生物降解呋喃二甲酸无规共聚酯-聚(丁二酸丁二醇酯-co-呋喃二甲酸丁二醇酯) (PBSF)和聚(己二酸丁二醇酯-co-呋喃二甲酸丁二醇酯) (PBAF)，重点研究直接酯化/熔融缩聚催化剂和工艺、酯化和缩聚动力学、共聚酯的结构与性能和生物降解规律等科学、技术问题，掌握呋喃二甲酸共聚酯合成的基本规律、结构与性能关系、生物降解行为及其调控规律，为呋喃二甲酸共聚酯的工业化和应用打下基础。通过本项目的实施，将实现生物基生物降解聚合物材料和制备技术的创新，获得性能优良的生物基生物降解呋喃二甲酸共聚酯新材料及其高效、环境友好的制备新方法，为解决聚合物工业面临的环境污染和资源短缺的问题，为解决国家在资源转换、减少净碳排放量、减少环境污染等重大问题上的需求做出一定的贡献。

以可生物降解聚合物替代不可生物降解的传统聚合物材料，是解决合成聚合物材料的大量使用和废弃而导致的日趋严重的环境污染问题的最有效的措施。其中，生物基可生物降解聚合物材料不仅产品可生物降解，而且资源可再生、无净碳排放，是一种从“摇篮”到“坟墓”都绿色环保的可持续新材料。现有的生物基可生物降解聚合物如聚乳酸、聚羟基烷酸酯多为刚性/脆性聚合物，应用受限，而生物炼制产业的发展，为合成柔性的生物基可生物降解聚合物新材料提供了新的机会。.本项目采用新型生物基单体—呋喃二甲酸与脂肪族二元酸(以丁二酸、己二酸为代表)及丁二醇共聚，通过直接酯化/熔融缩聚法合成生物基生物降解呋喃二甲酸无规共聚酯—聚(丁二酸丁二醇酯-co-呋喃二甲酸丁二醇酯) (PBSF)和聚(己二酸丁二醇酯-co-呋喃二甲酸丁二醇酯) (PBAF)，率先对共聚酯的聚合技术、结构与性能和生物降解规律进行了系统的研究，解决了FDCA单体的纯化技术和共聚酯的合成技术，成功制得色泽优良、组成可控、分子量高达10万以上的无规共聚酯，阐明了共聚酯的链结构、结晶性和熔融行为、热稳定性以及链结构和结晶性对力学性能、水解和堆肥降解性的影响规律等科学问题，证实PBSF和PBAF的可生物降解性。研究结果表明， PBSF和PBAF的可生物降解的组成范围比现有的石油基可生物降解聚合物如PBAT更宽，在BF含量高达60%时仍具有优良的生物降解性，因而可以在更宽的组成范围内调节生物降解性和热-力学性能，得到更易生物降解且力学性能更优异的共聚酯，是一类具有广阔应用前景的新型生物基可生物降解聚合物材料。本项目在生物基生物降解聚合物新材料和制备技术上具有明显的创新性，其结果为呋喃二甲酸共聚酯的工业化和应用打下良好的基础，后期将进一步进行研究开发，力争实现其工业化生产和应用。