寧波材料所在生物基呋喃聚酯原位催化合成方面取得新進(jìn)展
在全球能源危機(jī)與環(huán)境污染治理的雙重挑戰(zhàn)下，開(kāi)發(fā)可再生的生物基材料已成為替代傳統(tǒng)塑料、推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵路徑。通過(guò)設(shè)計(jì)和合成新型生物基聚酯，與現(xiàn)有石油基塑料形成性能互補(bǔ)，不僅能夠提升高分子材料的綜合性能，還可為碳中和目標(biāo)提供創(chuàng)新解決方案?？稍偕?，5-呋喃二甲酸（FDCA）基聚酯是在能源和環(huán)境危機(jī)時(shí)代實(shí)現(xiàn)塑料替代的最有前途的材料之一。然而，由于分子或微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不足，它們的綜合性能還不能與石油基塑料相媲美。
基于此，近期中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所生物基高分子材料團(tuán)隊(duì)在FDCA聚酯納米復(fù)合材料的空間限域組裝（Adv. Funct. Mater. 2025, 2421006； Green Chem. 2025, 27, 743；Chem. Eng. J. 2023, 417, 144377等）、分子-界面協(xié)同強(qiáng)化（Adv. Funct. Mater. 2023, 34, 2308631；Small 2024, 20, 2406958；Mater. Today Nano 2024, 25, 100463；Giant, 2024, 18, 100264；ACS Sustainable Chem. Eng. 2023, 11, 4633；ACS Sustain. Chem. Eng. 2022, 10, 13595; J. Hazard. Mater. 2023, 457, 131801；Macromolecules, 2023, 56, 5127；Chem. Eng. J. 2022, 447, 137535）等研究基礎(chǔ)上，提出了一種新型高性能生物基呋喃聚酯納米復(fù)合材料的原位催化合成策略，能夠同時(shí)提高聚酯的氣體阻隔性、力學(xué)性以及結(jié)晶能力。研究人員創(chuàng)新性地開(kāi)發(fā)出一種高速剪切技術(shù)以制備具有表面多重鑲嵌二維MXene納米片的樹(shù)枝狀MXene@CNT異質(zhì)結(jié)。這種結(jié)構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)MXene和碳納米管（CNT）的協(xié)同分散，而且可以通過(guò)與CNT中的殘余羥基形成C-O-Ti共價(jià)鍵來(lái)抑制MXene氧化，同時(shí)可以暴露更多的活性位點(diǎn)來(lái)增強(qiáng)MXene@CNT的催化和成核效率并，且可與基體形成機(jī)械互鎖和化學(xué)鍵合多尺度界面作用以實(shí)現(xiàn)高效應(yīng)力傳遞。
隨后，研究人員通過(guò)催化-界面強(qiáng)化一體化策略制備了具有多尺度應(yīng)力耗散架構(gòu)的生物基塑料，如圖1。通過(guò)少量（0.1-0.3 wt.%）添加填料原位催化制備的生物基塑料在拉伸強(qiáng)度（101MPa）、韌性（237%）和氣體阻隔性能（O2阻隔性＞PET的4倍）方面同時(shí)得到改善，且得益于多尺度應(yīng)力耗散架構(gòu)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建，生物基塑料還表現(xiàn)出良好的可再加工性能（5次物理循環(huán)后可保持90%的力學(xué)強(qiáng)度）、紫外線屏蔽功能（屏蔽~99%UVB射線和~80%UVA射線）和耐溶劑性能（極性溶劑穩(wěn)定周期>30天），使其成為石油基塑料的理想替代品。
該研究成果以“Robust and Reprocessable Biorenewable Polyester Nanocomposites In situ Catalyzed and Reinforced by Dendritic MXene@CNT Heterostructure”為題發(fā)表在Nano-Micro Letters（DOI: 10.1007/s40820-025-01682-8）。寧波材料所碩士研究生王浩為文章第一作者，丁紀(jì)恒博士和王靜剛教授級(jí)高工為通訊作者。相關(guān)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金（NSFC52473104），國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFC2104500）、浙江省自然科學(xué)基金（Y24B040002）、寧波市2025年重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2022Z160）、中國(guó)博士后科學(xué)基金（2023M733601）和寧波市自然科學(xué)基金（2023I333、2023J409）的資助。
圖1 具有多重鑲嵌界面的MXene@CNT（A-B）及其催化-強(qiáng)化（C-D）改性高性能PBF生物基塑料
（高分子與復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室 丁紀(jì)恒）
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