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PBS及其共聚酯生物降解性能的研究进展
可生物降解的高聚物是近年来引起人们极大兴趣的高分子材料之一。目前,脂肪
族聚酯是生物降解材料中最有发展前景的一类高分子材料,包括聚羟基脂肪酸
酯、聚己内酯、聚乳酸,以及由二元酸、二元醇制成的聚酯等。其中,聚丁二酸
丁二醇酯(PBS)是一种具有良好的热性能、机械性能和加工性能的生物降解脂肪
族聚酯。现阶段对PBS及其共聚酯的研究最为广泛,PBS及其共聚酯的化学结构、
分子构成、分子量、结晶度及聚酯的形态等均对其生物降解性能有较大的影响。
文章综述了PBS及其共聚酯的结构、分子量、聚酯形态、熔点、结晶度等和生物
降解性能之间的关系。
1PBS的结构及其降解机理
1.1PBS的结构
3
PBS为白色结晶型聚合物,其密度为1.27g/cm,熔点为115℃,结晶化
度为30%-60%,结晶化温度为75℃。其化学结构如图1(略)所示。
1.2PBS的生物降解机理
降解是与形成相反的一个过程,是指大分子化合物经化学反应回归到小
分子化合物的过程。PBS降解的本质是聚合物中化学键的断裂,其中既包括主链
中化学键的断裂,又包括支链中化学键的断裂,主链结构中化学键的断裂对聚合
物的降解起着决定性的作用。在PBS分子链中引入较弱的化学键或较易发生化学
反应的化学键,则该键较易断裂,聚合物就较易于降解。反之,则难以降解。
PBS在微生物的作用下可发生降解。微生物首先侵蚀聚酯的表面,然后
由微生物分泌的酶对聚酯中的酯键发生作用使其水解。酶催化水解聚酯的过程分
为以下两步。
第一步,酶起一个醇的作用,可以把该反应看做是PBS聚酯的醇解,产
物为酰基酶和聚酯链的一部分;第二步,酰基酶榱水解,产物为聚酯的其余部分
和再生的酶。该酶可被循环利用,如图2所示。
2PBS的降解研究
暨南大学理工学院材料科学与工程系赵剑豪等研究发现:数均分子量为
4.8万的PBS,在杂色曲菌酶作用下降解30d,降解率为21%。Mal-NamKimt采用
污泥降解法研究发现:数均分子量约为7万的PBS,降解30d,降解率约为3%。
说明分子量越高,PBS的生物降解率越低。这是由于高分子量的聚合物端基数目
少,而由微生物参与的聚合物降解主要是由端基开始的,所以高分子量的聚酯降
解速率相对较低。
中国科学院理化技术研究所根据ISO14855,研究了不同形态的PBS在
堆肥条件下的生物降解性。结果表明:PBS具有良好的生物降解性,但其形态对
降解速率有较大的影响,降解速率为:PBS:粉末PBS片PBS颗粒。说明PBS
的比表面积越大,单位面积上其分子链与酶作用.的位点也就越多。因此具有较
大比表面积的PBS粉末表现出更快的降解速率。
由此可见,影响PBS降解有分子量和聚酯形态等因素。分子量越高,越
不容易降解;聚酪形态的比表面积越大,越容易降解。
3PBS基脂肪族共聚酯的降解研究
3.1线型PBS基脂肪族共聚酯的降解研究
赵剑豪采用可控堆肥法降解PBS及PBSA(聚丁二酸/己二酸,丁二醇酯)。
结果表明:在可控堆肥条件下PBSA薄膜和PBS薄膜都具有良好的生物降解性能,
但PBSA薄膜90d的生物降解百分率为92.1%,而PBS薄膜的降解率为60.7%,
并且整个降解过程中,PBSA薄膜的降解速率都比PBS薄膜要快。
PBSA比PBS降解速率快的原因与PBSA的熔点下降和结晶度的降低有关。
熔点下降,分子间作用力变小,微生物容易攻击并切断分子链,所以降解性能提
高;由于降解首先发生在非晶区,所以,结晶度降低,降解速度加快。
3.2枝状PBS基脂肪族共聚酯的降解研究
Mal-NamKim在PBS中引入了第三单体1,2-BD(1,2-丁二醇)进行共聚,
得到了具有枝状结构的PBSB,其性质如表1所示。
表1PBS及PBSB的性质
样品共聚组分分子量分子量结晶化温熔点
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