不同酰基链长与残余羟基含量的蔗渣单酯在土壤中的降解行为与力学性能研究

编辑推荐：为解决化石基塑料的环境污染问题，日本金泽大学团队通过调控酰基链长(C6-C12)和取代度(DS)，开发出兼具热成型性(熔流温度Tflow降低至108°C)与土壤降解性(3个月失重率>30%)的蔗渣单酯材料。关键发现癸酰基(De,C10)与60%羟基保留量使材料获得最佳平衡性能，为可降解农用地膜提供新解决方案。

　　

塑料污染已成为全球性环境挑战，传统聚乙烯农用地膜在提升作物产量的同时，也带来了严重的"白色污染"。每年数百万吨不可降解的塑料残留在土壤中，形成微塑料威胁生态系统。与此同时，全球每年产生约1.8亿吨甘蔗渣等农业废弃物，大多被焚烧处理造成资源浪费。如何将这类富含羟基(OH)的木质纤维素废弃物转化为环境友好型塑料，成为可持续发展的重要课题。

日本金泽大学Kenji Takahashi团队在《Polymer Journal》发表研究，系统探究了酰基链长和取代度对蔗渣单酯性能的影响。研究人员采用离子液体1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐(EmimOAc)/二甲基亚砜(DMSO)均相体系，通过乙烯基酯(vinyl ester)与蔗渣-OH的酯化反应，制备了不同链长(己酰基He、辛酰基Oc、癸酰基De、月桂酰基La)和不同取代度(0.4-3当量)的蔗渣单酯(BagR)。通过热重分析(TGA)、熔流测试、土壤埋藏实验等技术手段，揭示了材料结构与性能的关系。

关键技术方法包括：1)在EmimOAc/DMSO体系中均相合成蔗渣单酯；2)通过FT-IR和³¹P NMR表征取代度；3)采用毛细管流变仪测定熔流温度(T_flow)；4)热压成型制备薄膜样品；5)干/湿态力学性能测试；6)为期3个月的土壤降解实验。

Effects of acyl chain length and residual OH content on the thermal moldability of bagasse monoesters
研究发现，随着酰基链长增加(C₆→C₁₀)，蔗渣单酯的热分解温度(T_d-5%)从280°C降至220°C，熔流温度(T_flow)从178°C降至120°C。其中癸酰基(De,C₁₀)修饰的BagDe-3展现出108°C的最大热加工窗口。当[VDe]/[OH]_Bagasse≥0.6时，材料可实现热压成型，而残余OH含量增加会提高T_flow。

Wettability and wet-to-dry strength ratio of bagasse monoesters
力学测试显示，完全取代的BagDe-3干态拉伸强度仅4.5MPa，而保留40%OH的BagDe-0.6提升至12.5MPa。有趣的是，尽管BagDe-0.6吸水率达8wt%，其表面接触角却达110°，表现出特殊的两亲性。所有样品湿/干强度比保持在0.5-0.88，满足农用薄膜基本要求。

Degradability of bagasse monoesters in soil and change
土壤降解实验表明，BagDe-0.6在3个月后失重率达35%，远高于完全取代的BagDe-3(15%)。FT-IR分析显示降解后C=O(1740cm^-1)和OH(3460cm^-1)峰强度变化，证实微生物优先攻击酯键和未取代的糖苷键。

这项研究首次系统阐明了酰基链长与残余羟基对木质纤维素塑料降解行为的调控机制。通过优化癸酰基取代度和保留40%羟基，成功制备出熔流温度120°C、干态强度12.5MPa、3个月土壤降解率35%的多功能材料。该工作不仅为农业废弃物高值化利用提供新思路，更推动了可降解地膜从实验室走向田间应用。特别值得注意的是，材料表面疏水而整体亲水的特殊性质，使其既能抵抗雨水侵蚀又保持土壤降解性，这一发现对设计新一代环境响应型塑料具有重要启示意义。