Prog. Poly. Sci.综述：生物基高分子材料：结合化学合成与材料加工

【背景介绍】

随着世界人口的增长，全球对能源、化学品和材料的需求不断增加。然而，大多数化学品和高分子都来源于化石资源。目前，制造高分子的化石资源约占其总量的8%。并且，预测到2050年，这个数字将可能会增加到20%。虽然高分子材料给社会带来了巨大的利益和便利，但它们无意中对环境和气候变化产生了一些不可预料的后果。随着世界各国对化石资源日益减少以及对环境问题的日益重视，研究人员开始利用生物质资源开发各类化学品、聚合物以及材料。并且，由于生物基高分子材料具有优异的生物相容性，为进一步扩展生物基高分子材料的应用提供了可能。

目前生物基高分子材料主要分为两大类：天然高分子材料和合成生物基高分子材料。天然高分子材料已广泛应用于制备生物塑料和复合材料等应用领域，如纤维素、木质素、半纤维素、淀粉、蛋白质和改性生物基高分子。合成生物基高分子材料主要是源于各类小分子生物质，如植物油、脂肪酸、呋喃、萜烯、松香酸和氨基酸等。值得一提的是，生物基高分子不一定是可生物降解的。相反，它们大多不生物降解。但生物基高分子的使用可以避免对石油资源的依赖。

此外，不同于以碳-碳和碳-氢键为主的石油资源，天然生物基高分子材料具有碳-氧和碳-氮键等化学结构，而这些结构是很难从化石资源中经济地获得的。这些独特的结构可以赋予聚合物新的功能性、可降解性以及提升聚合物性能。然而，目前仍存在许多关键性问题制约着生物基高分子的产业化发展，例如生产成本、对环境的影响和生物基高分子材料的热机械性能等问题。尽管，人们已经在生物质转化成聚合物等可持续化学领域取得了重大进展。但是，从可持续循环以及经济的角度制备出具有与传统石油基材料性能相匹配的、甚至超越的生物基高分子材料仍然是一个巨大的挑战。加工工艺可以在显着提高材料性能方面起重要作用。然而，化学家经常忽略这项关键性技术。本文将主要强调将材料的化学合成与材料的加工工艺相结合，实现高新能性能生物质基高分子材料的开发。为生物基高分子材料的产业化开发提供新的参考方向。

【成果简介】

最近，安徽农业大学汪钟凯和南卡罗莱纳大学唐传兵等综述了生物质基高分子材料的化学合成与材料加工。以“Sustainable polymers from biomass: Bridging chemistry with materials and processing”发表于Prog. Poly. Sci.期刊上。作者简要概述了三个主要领域:木质素化学和聚合物、生物基聚烯烃和长链脂肪族缩聚物。此外，作者重点讨论了如何通过单体化学设计和聚合物加工工艺来提高材料性能。最后，作者总结了每个部分的内容，提出了未来的挑战，并对生物基高分子材料产业化进行了展望。

【图文解读】

1、引言

图一、基于可再生资源的生物基高分子

（1）木质素的基本结构单元及其化合物；

（2）基于植物油脂的脂肪族衍生物及其聚合物；

（3）多糖类转化为烯烃和聚烯烃。

2、木质素

2.1、木质素的分馏和解聚过程

图二、木质素基材料在当前的市场和未来的应用

2.2、结构与性能

图三、木质素的单体和典型结构

2.3、基于聚合物的木质素复合材料

图四、木质素升级为增值聚合材料的策略

2.4、挑战和展望

3、生物基聚烯烃

3.1、生物基聚乙烯

图五、生物乙烯的生产工艺

3.2、生物基聚丙烯

图六、生物丙烯的生产工艺

3.3、其他生物基的聚烯烃

图七、其他生物烯烃的生产工艺

3.4、挑战和展望

4、长链脂肪族聚合物

图八、植物油的主要成分—甘油三酯

（A） 甘油三酯的一般结构式（其中R代表各种脂肪族结构）；

（B） 脂肪酸化学结构：（a）斑鸠菊酸，（b）亚麻酸，（c）亚油酸，（d）α-桐（油）酸，（e）油酸，（f）棕榈油 酸，（g）蓖麻油酸，（h）棕榈酸，（i）10 -十一烯酸，（j）芥酸。

4.1、长链脂肪族聚酰胺

图九、制备长链脂肪族聚酰胺的传统路径

图十、利用新的化学结构与加工技术相结合制备超强聚酰胺弹性体

（A）通过巯基-烯烃加成聚合制备功能聚酰胺；

（B）模拟微观结构说明了通过单向循环拉伸变形实现的晶区排列。

4.2、长链脂肪族聚酯

图十一、长链脂肪族聚酯的传统合成策略

图十二、各种功能聚酯的合成

4.3、长链脂肪族聚氨酯等

图十三

（a）线性分段PA₁₂HU-PTMO的合成;

（b）利用熔压成型制备热塑性聚氨酯薄膜。

4.4、挑战和展望

5、结论和未来展望

【小结】

总之，作者概述了基于生物质基高分子材料的合成及加工工艺的最新进展。作者认为，来自可再生生物质的高分子材料有很大的机会取代或补充一些石化产品。其中，木质素衍生高分子材料、生物基聚烯烃、长链脂肪族聚合物等正受到学术界和工业界的广泛关注。虽然，一些可生物质基高分子材料，如PA11，已经成功产业化，但其总体市场份额仍然很小。作者认为，目前阻碍生物基聚合物的市场化发展的是其低性能与高成本。在此，作者提出了两种可能的方法：（1）利用可再生的生物绿色工艺合成已有商业化聚合物或类似物以取代商用石油基聚合物，例如聚烯烃；（2）设计具有独特结构、优异性能和创新工艺的新型高分子材料。生物质的原始来源如木质素、纤维素和脂肪酸，具有成本低，易得，且可进行化学改性等优点。为了获得更高附加值或更绿色的商业产品，作者认为在设计单体和聚合物时应充分考虑如何利用可再生资源独特的化学结构。

总的来说，生物质基高分子基材料是一个战略性新兴产业，获得了全世界各个主要国家的重视。作者认为，材料科学、生物学、化学、仿生学和材料加工领域的跨学科合作非常重要。随着化学合成、生物精炼和分析技术的进步，人们可以从可再生资源中发现更多的活性成分，并将其用作原料。作者预计，更多具有理想性能的生物基高分子材料将会出现在市场上。

文献链接：Sustainable polymers from biomass: Bridging chemistry with materials and processing（Prog. Poly. Sci.,2019:101197.）

本文由我亦是行人编译。

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