支化聚丙交酯共聚物的物理特性与降解性能研究：基于甘油引发剂的新型生物可降解材料设计

本研究针对传统聚丙交酯(PLA)脆性大、机械性能差的问题，通过甘油引发合成支化结构的L/D-丙交酯(LA)与三亚甲基碳酸酯(TMC)嵌段共聚物。研究发现支化结构能维持40%的结晶度(Xc XRD)，且拉伸率随LA含量降低而提升。立体复合物(St)的熔融温度(Tm)达231.5°C，热稳定性显著增强。该材料在保持高结晶度同时实现柔性调控，为生物可降解材料设计提供新思路。

　　

在全球塑料污染问题日益严峻的背景下，生物可降解材料成为研究热点。聚丙交酯(PLA)作为典型的生物基塑料，却存在脆性大、热稳定性差等缺陷。传统通过引入柔性链段（如环状碳酸酯）改善性能的方法，往往导致结晶度和机械性能的下降。Chikara Tsutsumi团队创新性地利用甘油三醇特性，设计出具有支化结构的PLA基共聚物，为解决这一材料领域的"跷跷板难题"（即柔性提升伴随结晶度下降）提供了新思路。

研究采用甘油引发三亚甲基碳酸酯(TMC)开环聚合，再与L-丙交酯(L-LA)或D-丙交酯(D-LA)共聚，合成系列支化嵌段共聚物。通过差示扫描量热法(DSC)、X射线衍射(XRD)和时域核磁共振(TD-NMR)等技术系统表征材料性能。特别关注了立体复合物(St)的形成——即将L-LA和D-LA共聚物混合产生的特殊相互作用。

研究结果揭示三大创新发现：

1. 1.

   支化结构维持高结晶度：不同于线性共聚物，支化共聚物在LA含量50-80 mol%范围内，结晶度稳定在40%左右（X_{c XRD}），而雾度值从70.5%降至45.3%。TD-NMR显示其短弛豫时间(T₂₁)恒定在28 μs，表明硬段结构稳定。

2. 2.

   力学性能突破：当LA含量从79 mol%降至46 mol%时，断裂伸长率从24.3%提升至364.6%，而拉伸强度仅从30.8 MPa降至21.5 MPa，实现了"高结晶-高延展"的协同效应。

3. 3.

   立体复合效应强化：St样品熔融温度(T_m)高达231.5°C，比单一共聚物提升约60°C。FTIR光谱中1748 cm^-1特征峰证实了L/D-LA链段间的强相互作用。

酶降解实验发现，含79 mol% L-LA的支化共聚物400小时后剩余质量62%，降解速率低于线性类似物。扫描电镜(SEM)显示其表面呈现独特的条纹状降解形貌，这与支化结构导致的分子链特殊排布相关。值得注意的是，高TMC含量(约50 mol%)的St样品降解最快，640小时后仅剩24%质量，这与其中非晶区比例增加相关。

该研究发表于《Polymer》的重要价值在于：首次通过支化结构设计打破PLA基材料"结晶度-柔性"的此消彼长关系，其保持40%结晶度同时实现300%以上断裂伸长率的性能，远超文献报道的线性共聚物水平。甘油作为生物基引发剂的使用，更赋予材料全生命周期的环保特性。这种分子结构设计策略为开发新一代高性能可降解塑料提供了理论依据和技术路径，在医疗器械、环保包装等领域具有广阔应用前景。