研究背景：

近年来，微塑料（MPs），一种新的持久性污染物，已成为全球关注的。用生物降解聚合物取代传统塑料是解决微塑料污染问题的有效方法。然而，可生物降解聚合物的生产成本通常很昂贵。例如，可生物降解的聚对苯二甲酸-己二酸-丁二醇酯（PBAT）比传统的不可生物降解的低密度聚乙烯（LDPE）贵2-3倍。PBAT是一种著名的可生物降解材料，具有聚对二酸丁酯（PBA）和聚对苯二甲酸丁酯（PBT）的结合性能。它具有较高的断裂伸长率和高度的可加工性，使它可以广泛用于包装、生物医学和工业堆肥。

然而，PBAT的高成本在一定程度上限制了其应用。许多研究集中在通过将PBAT与竹粉、热塑性淀粉（TPS）、木质素、淀粉和无机粉末结合来降低PBAT的成本。木质素是一种天然的可生物降解材料，通常与可生物降解聚合物混合，以降低成本。在一些研究中，木质素已被证明可以提高生物可降解聚合物的力学性能，同时保持其生物降解性。为了解决这一问题，将木质素进行表面修饰，通过添加其他增容剂来与PBAT制备价格更低以及性能更优的生物降解复合材料。

研究内容：

贵州大学于杰教授团队研究了将木质素（lignin）与乙烯基三甲氧基硅烷(VTMS)接枝得到VTMS接枝木质素(VL)，其结构具有活性双键，以改善木质素与PBAT的相容性，再以DCP作为引发剂使得所得VL上的活性双键在挤出过程中与PBAT发生接枝反应，形成了PBAT和VL的网络结构。本研究将木质素与乙烯基三甲氧基硅烷（VTMS）接枝得到VTMS接枝木质素（VL），其结构具有活性双键，以改善木质素与PBAT的相容性，通过反应挤压制备PBAT/VL复合材料,研究了PBAT/VL复合材料的力学降解机理和生物降解机理。

主要研究结果：

（1）：木质素和VL的结构表征：(a) FTIR光谱、(b) 1 H NMR、(c) TGA曲线、(d) XPS光谱和(e)水接触角、(f)制备VL的反应机理。

（2）PBAT和PBAT/VL复合材料的凝胶含量。

（3）PBAT和PBAT/VL复合材料的存储模量(a)和动态粘度(b)。

（4）PBAT和PBAT/VL复合材料的结晶行为：(a) XRD光谱，(b)结晶过程，(c)熔化过程，(d) TGA曲线。

（5）PBAT及其复合材料的扫描电镜图像：(a) PBAT、(b) PBAT/VL-10%、(c) PBAT/VL-20%、(d) PBAT/VL-30%；(e)PBAT/VL-30%的透射电镜图像，(f)PBAT/木质素-30%的扫描电镜。

（6）(a) PBAT/Lignin、(b) PBAT/VL、(c) PBAT/VL/DCP反应性挤压后的结构示意图，以及PBAT和VL的(d)反应机理。

（7）(a)PBAT和PBAT/VL复合材料的应力/应变曲线，PBAT和PBAT/VL复合材料的(b)拉伸强度、断裂伸长率和杨氏模量，(c)对本研究和文献中PBAT复合材料的抗拉强度的比较。

（（8）(a)PBAT和PBAT/VL复合材料在土壤中拉伸强度、(b)生物降解效率、断裂(c)伸长随时间的变化，PBAT和PBAT/VL-90%-30天后的(d) GPC曲线。

研究结论：

综上所述，本研究将VL合成并纳入PBAT，以降低其成本，提高其生物降解性和机械性能。采用反应挤压法制备了PBAT/VL复合材料。利用FTIR、1h核磁共振、XPS、TGA和水接触角测量等方法对VL的结构进行了表征。通过凝胶含量测量、SEM、TEM、XRD、DSC和流变行为数据，对PBAT/VL复合材料的结构进行了表征。与PBAT相比，VL含量为30 wt%的PBAT/VL复合材料的抗拉强度、杨氏模量和生物降解效率分别提高了200%、151%和96%。这是因为VTMS接枝的木质素改善了木质素在PBAT复合材料中的分散，这归因于PBAT和VL之间通过反应挤压形成的网络结构。研究了样品在土壤中降解后的力学性能保留率和分子量的变化。研究结果表明，PBAT/VL复合材料具有较好的降解性能。我们希望这项工作将扩大PBAT的应用，并为利用生物可降解材料替代传统塑料提供一个可行的解决方案。

参考文献：

Yufei Liu a,b , Shan Liu c , Zhentao Liu d , Yang Lei a , Siyuan Jiang a , Kai Zhang b , Wei Yan d , Jun Qin a , Min He a,**, Shuhao Qin a,b , Jie Yu a,b,* ,Enhanced mechanical and biodegradable properties of PBAT/lignin composites via silane grafting and reactive extrusion，Composites Part B ,2021,220.

原文链接：

https://doi. org/10.1016/j.compositesb.2021.108980

DOI:10.1016/j.compositesb.2021.108980