高性能生物质可降解聚合物—聚脲酯的合成与性能

Biodegradable, biobased polymers are environmentally-friendly materials which are not dependent on petroleum oil. The aim of this project is to develop high performance biobased and biodegradable polymers, i.e., poly(urea ester)s (PUEs). They are proposed to be synthesized from biobased aliphatic diols and diacids (or diesters). Unlike aliphatic polyesters, PUEs consist of ‘ester-urea-ester’ units, where the urea groups yield hydrogen bonding between polymer chains. Thus, PUEs are expected to exhibit higher melting temperature and crystallinity as well as good mechanical properties, besides the good biodegradability. The relationship between the polymer chemical structure and the properties (including thermal, mechanical, crystallization and biodegradation properties) of these polymer obtained will be studied systematically and carefully, targeting to biobased and biodegradable polymers with high performance.

生物质可降解聚合物是非石油路线的环境友好材料, 本项目旨在研究生物质可降解聚合物：脂肪族聚脲酯。申请人计划以脂肪二元醇为起始物合成氨基脂肪醇，氨基脂肪醇与尿素反应得到二羟烷基脲, 二羟烷基脲与脂肪二酸或者二酯进行缩合聚合合成聚脲酯。其中, 起始物二元醇和二元酸（酯）由可再生原料糖、植物油等转化而来。所设计的聚脲酯在化学结构上与传统脂肪族聚酯的差别是在酯基之间加入脲基，形成‘酯-脲-酯’的重复单元。由于脲基使分子间形成氢键，该类聚合物在保持生物可降解性的同时具有更高的熔点, 力学强度和良好的结晶性能。我们将系统研究该聚合物结构与性能的关系，优化合成条件，发展高性能生物质可降解聚脲酯。

本项目旨在开发具有高熔点的生物基生物降解聚合物。脂肪族聚酯是一类优异的生物降解聚合物，但是它们的熔点普遍比较低，使其应用受到很大的限制。脲基的引入可以提供氢键氢键，从而可以极大提高聚合物的分子间作用力，提高熔点。同时，脲基也具有相当的生物降解性能，脲基的引入不会对生物降解性能产生较大的影响。为此，本项目提出在脂肪族聚酯链中引入脲基，即合成一类新型的高熔点的生物降解聚合物——聚脲酯（PUE）。本项目按照计划执行，成功开发出一系列聚脲酯，经研究发现，聚脲酯相对于对应的脂肪族聚酯有较高的熔点，可达130 °C，与此同时，聚脲酯也保持了较优异的生物降解性能，聚合物在37 °C的脂肪酶缓冲溶液中降解16周后的质量损失可达40%。在此基础上，我们进一步提出在聚酯的主链引入环状脲基（异氰脲酸酯环），甚至同时引入异氰脲酸酯环和脲基，成功开发出另外两类新型聚合物——PICE和PICUE，异氰脲酸酯环的引入同样可以提高聚合物的熔点，PICE的熔点普遍在120 °C左右，异氰脲酸酯环的引入无法保持原有的生物降解性能，PICE的在脂肪酶缓冲溶液中的质量损失基本上小于10%。但是异氰脲酸酯环的引入可以提高聚合物的阻燃性能，PICE的氧指数30-40%，属于B1阻燃级别。总而言之，通过本项目的研究，我们开发了三类新型的聚合物，PUE、PICE和PICUE，兼具高熔点和生物降解性的PUE的开发成功解决了脂肪族聚酯的低熔点问题，PICE和PICUE则兼具高熔点和阻燃性。在聚酯中引入脲基（直链或者环状）将是一种提升或者拓展聚合物性能的有效手段，在今后的工作中我们将进一步将此方法应用到聚碳酸酯和聚酰胺的性能拓展上。