经典高分子，登上Science正刊！

BioMed科技 · 公众号 · · 2025-01-18 19:29

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商业粘合剂是基于石油的热固性网络或不可生物降解的热塑性热熔胶，使其成为可生物降解替代品替代的理想目标。聚（3-羟基丁酸酯）（P3HB）是传统塑料的生物可再生和可生物降解替代品，但具有完美立体微观结构的微生物 P3HB 不具有粘附性。

鉴于此， 美国国家可再生能源实验室 Eugene Y.-X. Chen 与 Gregg T. Beckham 以及 加州伯克利大学 Ting Xu教授 通过阐明化学催化工程P3HB立体微观结构和粘合性能之间的基本关系，他们发现可生物降解的富含间同的P3HB表现出高粘合强度并且优于常见的商业粘合剂，而间同立构、全同立构或富含异同立构的P3HB没有显示出可测量的粘合力。富含间二元的立体微观结构带来了P3HB所需的热机械和粘弹性特性，能够对一系列测试基材（包括铝、钢、玻璃和木材）产生强粘附力，并且其性能对摩尔质量和再加工或再利用不敏感。相关研究成果以题为 “Stereomicrostructure-regulated biodegradable adhesives”发表在最新一期《Science》上。 中国学者Zhen Zhang为本文一作。

【合成、表征以及结构与性能的关系】

作者重点介绍了 聚（3-羟基丁酸酯）(P3HB)的开发和工程设计，通过立体微结构改性来展示定制的粘合剂性能 。使 用化学催化方法合成了一组P3HB立体微结构，生产出具有多种立构性（如间同立构、全同立构和无规立构）的材料 。这些变化对于调整粘合剂性能所必需的热机械和粘弹性行为至关重要。

图1.代表性商业粘附剂与P3HB的立体微观结构

作者强 调了立体微观结构、熔化转变温度(Tm)和结晶度(χc)之间的关系 ，展示了[rr]三元组的增加如何导致Tm显着升高（例如，sr-P3HB _[42] 从97.3℃到sr-P3HB _[84] 为168.8℃）。作者还比较了全同立构和间同立构构型，强调了它们各自对机械和粘合性能的影响。随着立构规整性的增加（例如，更高的[rr]三元组），Tm从sr-P3HB _[42] 的97.3℃上升到sr-P3HB _[84] 的168.8℃， 强调了结晶和非晶区域之间所需的关键平衡，以获得最佳效果粘附力 。

图2中所示的SAXS和WAXS分析还揭示了立体微结构之间的结构差异。具有中等[rr]含量的sr-P3HB结构表现出 降低的结晶峰和平衡的配置，从而具有粘合所需的弹性和韧性 。这些途径直接影响立体微结构的热机械和粘弹性，这对P3HB材料的粘合性能至关重要。示意图显示了 热机械性能和链配置，展示了立体微结构在确定粘弹性行为和粘合强度方面的作用。

图2.具有多重立体微结构的P3HB的表征

【立体微结构调节的粘合性能】

接着，作者使用搭接剪切粘合测试系统地评估了 P3HB材料在各种立体微结构中的粘合性能 。实验结果突出显示了应力-应变行为以及立体微结构与附着强度之间的相关性。缺乏[rr]三元组的P3HB材料（例如it-P3HB和ir-P3HB）没有表现出附着力。相比之下， sr-P3HB _[52] 实现了令人印象深刻的9.5MPa附着强度 ，说明了中等[rr]三元组(42%-63%)对粘合性能的影响。 sr-P3HB _[42] 在多种基板上表现出优异的附着力，包括钢(6.4MPa)、玻璃和木材 。值得一提的是，它 在反复再加工后也保持一致的性能。这些发现强调了P3HB在多样化和可持续应用方面的潜力 。

图3.P3HB粘附剂的粘附性能评价

【技术经济分析和生命周期评估以及实际应用】

作者 进行了技术经济分析(TEA)和生命周期评估(LCA)，以评估P3HB粘合剂与传统粘合剂相比的成本和环境影响 。图4突出显示了BBL的sr-P3HB粘合剂的生产过程，包括催化羰基化和聚合等关键步骤。这种高效途径确保了可扩展性，同时保持了粘合剂的质量。据估计，P3HB粘合剂的最低销售价格(MSP)为3.03美元/千克，略高于EVA粘合剂（2.26美元/千克）。然而，图4也强调了环境效益，例如 尽管生产成本较高，但通过生物基原料实现了较低的温室气体(GHG)排放。

作者通过实际测试证明了 P3HB粘合剂的实际适用性 。sr-P3HB _[61] 被模制成与商用胶枪兼容的胶棒，证明了其可直接替代EVA粘合剂。图4显示P3HB粘合剂可举起20磅，性能优于EVA粘合剂，后者在15磅时失效。图4还说明了 P3HB能够有效密封纸板箱和粘合钢基材。这种多功能性凸显了其在包装和建筑行业中的应用潜力 。 反复的再加工循环证实了该材料的耐用性和可持续性，在保持性能的同时减少了生命周期浪费 。

图4.P3HB粘附剂的TEA，LCA和应用证明

【总结】

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