青科大沈勇/李志波团队 AFM：生物基β-甲基-δ-戊内酯与δ-戊内酯顺序开环共聚制备高韧性、可闭环回收的热塑性弹性体

高分子科技

2025-02-13

导读：提出了两种高效的闭环回收路径，分别是分离再聚合和直接再聚合..

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热塑性弹性体（Thermoplastic Elastomers, TPEs）因其兼具热塑性塑料的可加工性和传统橡胶弹性体的高弹性，在汽车、电子、医疗和日用消费品等领域具有广泛的应用。然而，传统TPEs材料主要来源于石化资源，用后难以降解回收，会导致严重的环境污染问题。开发性能媲美商品化弹性体，同时用后可回收的TPEs是推动材料绿色化发展的关键。

近年来，可闭环回收高分子材料的发展为塑料污染问题提供了新的解决方案。通过精确调控聚合物的化学结构，使其能够在使用后在温和可控条件下选择性解聚回收为原始单体，从而实现“单体-聚合物-单体”的闭合循环。然而，目前大多数TPEs材料在韧性、力学性能和回收效率之间仍存在矛盾，如何在提升材料性能的同时，实现高效可控的闭环回收仍然是亟待解决的难题。

针对这一问题，青岛科技大学沈勇/李志波团队提出了一种新型高韧性可闭环回收TPEs，该材料可以通过生物基β-甲基-δ-戊内酯（βMVL）和δ-戊内酯（δVL）的顺序开环共聚（Ring-Opening Copolymerization, ROP）方法制备，能够在保持优异韧性的同时，实现高效闭环回收。

相关研究成果以“Tough and Closed-loop Recyclable Thermoplastic Elastomers from Sequential Ring-Opening Copolymerization of Bio-renewable β-Methyl-δ-Valerolactone and δ-Valerolactone”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

该研究利用生物基六元环内酯单体β-甲基-δ-戊内酯（βMVL）与δ-戊内酯（δVL）作为原料，通过一锅法顺序开环共聚制备了ABA型三嵌段共聚物PδVL-b-PβMVL-b-PδVL（图1）。系统地讨论了聚合物的硬段体积分数和分子量对热塑性弹性体的热学和力学性质的影响。通过顺序ROP方法调控聚合物的结构，实现了硬-软-硬嵌段共聚，使得材料不仅具备优异的力学性能（高韧性、高回弹），同时兼具高效闭环回收能力。研究表明，该TPEs在韧性、力学性能和回收效率方面均优于传统热塑性弹性体，展现出较大的应用潜力。

图1 聚(δ-戊内酯)-b-聚(β-甲基-δ-戊内酯)-b-聚(δ-戊内酯)三嵌段共聚物的合成及其化学循环路线

所制备的TPEs具有优异的力学性能，其中拉伸强度最高可达50 MPa，断裂伸长率超过2000%，显著优于大多数可回收TPEs（图2）。此外，该材料在循环拉伸测试中表现出较高的弹性恢复率（>90%）和较低的残余应变，为高性能弹性体的应用奠定了基础。

图2 本工作中弹性体样品的力学和弹性性能与一些文献已报道的化学可回收TPEs以及商品化苯乙烯嵌段共聚物的比较

该研究提出了两种高效的闭环回收路径，分别是分离再聚合（TPE-SR）和直接再聚合（TPE-DR）。其中，直接再聚合无需对回收的混合单体进行额外分离，可直接再聚合形成高性能TPEs。实验结果表明，TPE-DR不仅表现出良好的弹性性能，同时具有优异力学性能，其拉伸强度可达38 MPa，断裂伸长率高达1851%，与具有相近分子量的原始材料的机械性能相近（图3）。相比传统方法，该方法避免了额外的溶剂使用和能量消耗，实现了更绿色、低成本的回收过程，为可持续高性能热塑性弹性体的发展提供了思路。