研究背景：

塑料垃圾堆积是当前的社会危机。虽然用可生物降解的替代品取代不可降解塑料是解决这一问题的一种方法，但传统的可生物降解塑料机械性能较低，并且需要严格的分解条件。因此，很难满足加工能力、最终使用适用性和使用后生物降解性的工业要求。因此，将机械强度和增强的可降解性整合到单一材料中至关重要。

研究内容：

韩国化学技术研究所的Jun Mo Koo制备了一种全生物基PBAF复合材料，其中纳入硫酸化甲壳素纳米晶须(SCHWs)通过原位聚合制备。PBAF复合材料的机械性能优于PBAT和其他常规生物基复合材料，这归因于在单体反应介质中优异的SCHW分散性。此外，PBAF的极性和角度结构比PBAT更好地适应SCHW。所制备的PBAF复合材料在堆肥环境中表现出优异的降解速率，且植物毒性可忽略不计。

主要研究结果：

1.硫酸化甲壳素纳米晶须：合成和表征（a） SCHW的产生和在BD单体中各种浓度（wt%）的SCHW分散体的图像显示出丁达尔效应。（b） 原位聚合法合成SCHW负载PBAF和PBAT复合材料。（c） 将T-S0.3、F-S0.1和F-S0.1（S）的应力应变曲线与纯T-S0、F-S0和F-S0（S）样品的应力-应变曲线进行比较。（d） F-S0.1（本研究）和文献中报道的其他生物基和生物可降解复合材料（PBS：聚丁二酸丁二醇酯）、PCL：聚己内酯、PHB：聚羟基丁酸酯、PHBV：聚（3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯）Ashby图，PVA：聚乙烯醇，PLA：聚乳酸，CNC：纤维素纳米晶体，CSW：壳聚糖纳米晶须，每单位(1 wt%)填料含量的极限拉伸强度增加[(fold−1)wt%−1]作为极限拉伸强度的函数。（e） F-S0和F-S0.1薄膜的撕裂强度延伸曲线。

2.（a）PBAT和（b）PBAF在不同SCHW载荷下的熔化热（熔化焓，ΔHm），根据相应DSC曲线的第一次加热扫描计算。（c）PBAT和（d）PBAF复合材料的Td5值。

3.从纯聚合物和复合材料的CP-MAS 13C-NMR光谱确定的自旋晶格弛豫时间（T1）。比较（a）羰基、（b）苯和呋喃环以及（c）亚甲基的总体T1值：T-S0 vs T-S0.3和F-S0 vs F-S0.1。（d） 比较自由分子空间：基于T1变化的T-S0 vs T-S0.3和F-S0 vs F-S0。

4.F-S0和F-S0.1膜的复合稳定性。（a）堆肥中薄膜的重量损失是生物分解时间的函数。（b）堆肥过程中薄膜（10cm×10cm）的光学图像；插图是各自的SEM图像（比例尺：5μm）。（c）发芽萝卜（R.sativus）种子在堆肥产生的含水堆肥提取物中生长5天的发芽率、（d）根长和（e）照片（比例尺：1cm）。数据表示为平均值±标准偏差（n=30）。

研究结论：

通过原位熔融缩聚制备了一种全生物基PBAF SCHW复合膜，具有优异的鲁棒性和改善的降解性。由于表面硫酸化，SCHW充分分散在单体溶液中，从而使其在所得PBAF基质中的增强效果最大化。与纯膜相比，含有0.1wt%SCHW的复合膜的拉伸强度和撕裂韧性分别提高了1.6（至83MPa）和1.4（73J.cm−1）倍。复合材料中碳原子的热行为和T1弛豫时间表明，呋喃环变形很容易适应SCHW，这会引发明显的微观结构变化，并增强聚合物链段的移动性。PBAF复合材料中自由体积的增加和无序区域使得堆肥过程中能够快速降解，而不会释放植物毒性物质。这种可持续的全有机复合材料不仅减轻了石油资源的巨大压力，而且有助于弥补呋喃基聚合物在实验室和市场之间的差距。

参考文献：

Sustainable Poly(butylene adipate-co-furanoate) Composites with Sulfated Chitin Nanowhiskers: Synergy Leading to Superior Robustness and Improved Biodegradation

原文链接：

https://pubs.acs.org/action/showCitFormats?doi=10.1021/acssuschemeng.2c01395&ref=pdf