高分子材料以其性能优良、成本低廉、易加工成型等优点，在日用品、汽车、电子产品等领域获得广泛的应用，为人类社会经济发展做出重要的贡献。然而，传统的高分子材料大多来源于不可再生的石化资源，面临资源紧缺的问题，而且石油基塑料制品往往在自然环境中难以降解，大量塑料废弃物已经造成了严重的环境污染，给人类赖以生存的地球环境造成生态破坏等负面影响。作为解决以上问题的重要思路之一，发展生物基可降解的高性能高分子材料势在必行，受到学术界与企业界的极大关注。作为商业化最为成功的生物基塑料之一，聚乳酸(PLA)兼备优异性能和性价比的优势，已经成为了最具有发展潜力的环境友好可降解生物基高分子材料。PLA材料可作为石油基塑料的替代品广泛应用于在食品包装、餐具、汽车、电子产品和半结构缓冲包装等领域，具有广阔的发展前景。然而，脆性严重的缺陷极大地限制了PLA的应用发展，如何实现其高效低成本的增韧改性成为PLA材料研究的核心挑战之一。
天津大学化工学院张坤玉课题组一直致力于面向高附加值领域应用的高性能生物基高分子共混物和复合材料的研究(ACS Appl. Mater. Interfaces 2012, 4, 3091-3101; ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 12436-12448; ACS Sustainable Chem. Eng. 2014, 2, 2345-2354)。近期，课题组针对PLA共混增韧体系中组分相容性差、界面粘结力弱这一关键挑战，提出以新型功能化离聚物为PLA的高效增韧剂，通过化学后改性与熔融共混相结合的改性策略，制备高韧PLA基共混材料，以拓宽聚乳酸的应用范围。课题组首先设计一系列咪唑单体作为商业化溴丁基橡胶(BIIR)的化学改性剂，通过高效易实施的季胺化反应，合成了一系列含有不同咪唑阳离子的结构新型BIIR离聚物弹性体。随后，采用简单高效的熔融共混方法，制备了高性能聚乳酸-离聚物弹性体共混材料，并对体系结构与性能关系进行了详细系统的研究，揭示离子基团结构-相形为-物理性能之间的内在规律。
在本文中，作者首先设计一系列含不同烷基链长度的咪唑单体，与溴丁基橡胶通过季胺化反应获得一系列BIIR离聚物，反应和所得离聚物结构性能如图1所示。离子基团的引入可以赋予溴丁基橡胶离聚物更为优良均衡的物理性能和极性。
图1. 不同溴化丁基橡胶离聚物的合成路线图及相关物理性能
利用所得离聚物弹性体与PLA熔融共混，可有效改善弹性体与PLA基体间的相容性与界面粘结，从而获得具备良好韧性的PLA基材料。作者通过离子基团结构与性能之间关系的分析，揭示含长烷基链咪唑鎓基团的离聚物表现出最优的物理性能，这与长烷基链有利于离子基团与PLA分子链产生非价键相互作用直接相关(如图2所示)。该研究充分利用有机阳离子的结构可设计性，结合了化学后改性与熔融共混改性的优点，为发展针对生物基聚酯的绿色增韧改性剂提供了新的思路。
图2. 纯PLA和不同共混体系的冲击断面SEM图像及增韧机理示意图
该论文的第一作者为天津大学陈璐硕士，通讯作者为天津大学化工学院张坤玉副教授和天津大学材料学院李悦生教授。该项工作得到国家自然科学基金面上项目(No. 51573130)的资助。该论文发表于Chinese Journal of Polymer Science 2018年第12期。
原文链接：
https://link.springer.com/article/10.1007/s10118-018-2143-6
来源：高分子科学
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