稿件创新点

       本文提出了一种高性能生物基聚合物的设计策略，通过引入新型生物基共聚单体实现了耐热性与亲水性的协同提升。传统生物基聚酯虽然能够减少对有限化石资源的依赖、拓展可持续材料的应用范围，但其耐热性和亲水性不足仍是制约发展的关键瓶颈。为此，本研究合成了一种新型的生物基三环二元酸酯单体—N,N'-trans-1,4-环己烷双(吡咯烷酮-4-甲基羧酸酯)(CBPC)，该单体由可再生的二甲基衣康酸和反式-1,4-环己二胺通过aza-Michael加成反应制备而成。CBPC兼具刚性的三环骨架与极性的吡咯烷酮侧基，前者显著提高了聚合物链的堆积密度和热稳定性，后者赋予材料可调的极性与良好的亲水性。通过以CBPC、碳酸二苯酯和1,4-丁二醇为原料，采用酯交换与熔融缩聚相结合的方法，成功制备了一系列含10mol%-30 mol% CBPC的PBCC(聚(碳酸丁二醇酯-共聚-N,N'-反式-1,4-环己烷双(吡咯烷酮-4-甲基羧酸酯)))共聚酯。结果表明，随着CBPC含量的增加，材料的熔点(Tₘ)由56.8 °C提升至225.8 °C，初始分解温度（Td5%）从258.0 °C提高至306.7 °C，使PBCC成为目前报道中耐热性能最优异的生物基共聚酯之一。同时，吡咯烷酮基团的引入也提高了共聚物亲水性。本研究表明，CBPC 作为一种创新型生物基构筑单元，为构建兼具高热稳定性与表面可调性的生物基聚合物提供了新的设计思路，为高性能可持续材料的开发开辟了新的方向。本文提出了一种高性能生物基聚合物的设计策略，通过引入新型生物基共聚单体实现了耐热性与亲水性的协同提升。传统生物基聚酯虽然能够减少对有限化石资源的依赖、拓展可持续材料的应用范围，但其耐热性和亲水性不足仍是制约发展的关键瓶颈。为此，本研究合成了一种新型的生物基三环二元酸酯单体—N,N'-trans-1,4-环己烷双(吡咯烷酮-4-甲基羧酸酯)(CBPC)，该单体由可再生的二甲基衣康酸和反式-1,4-环己二胺通过aza-Michael加成反应制备而成。CBPC兼具刚性的三环骨架与极性的吡咯烷酮侧基，前者显著提高了聚合物链的堆积密度和热稳定性，后者赋予材料可调的极性与良好的亲水性。通过以CBPC、碳酸二苯酯和1,4-丁二醇为原料，采用酯交换与熔融缩聚相结合的方法，成功制备了一系列含10mol%-30 mol% CBPC的PBCC(聚(碳酸丁二醇酯-共聚-N,N'-反式-1,4-环己烷双(吡咯烷酮-4-甲基羧酸酯)))共聚酯。结果表明，随着CBPC含量的增加，材料的熔点(Tₘ)由56.8 °C提升至225.8 °C，初始分解温度（Td5%）从258.0 °C提高至306.7 °C，使PBCC成为目前报道中耐热性能最优异的生物基共聚酯之一。同时，吡咯烷酮基团的引入也提高了共聚物亲水性。本研究表明，CBPC 作为一种创新型生物基构筑单元，为构建兼具高热稳定性与表面可调性的生物基聚合物提供了新的设计思路，为高性能可持续材料的开发开辟了新的方向。

生物基高性能聚合物的开发代表了可持续材料科学的前沿方向，融合了绿色化学、分子设计与高性能工程的理念。随着环境问题和资源枯竭日益突出，开发既具优异热稳定性又兼具亲水性的生物基聚酯材料成为应对化石资源依赖与塑料污染的关键策略。新型共聚单体的结构设计在其中发挥着至关重要的作用，为实现生物基聚合物的高性能化提供了新的可能。CBPC (N,N'-trans-1,4-环己烷双(吡咯烷酮-4-甲基羧酸酯))的引入不仅拓展了生物基单体的化学空间，也为构筑兼具高热稳定性与表面功能调控能力的聚合物体系提供了新的分子工程思路。因此，生物基高性能共聚酯的研究为可持续高分子材料的发展奠定了基础，对未来环保材料、可降解塑料以及高性能工程聚合物的设计具有重要的科学意义和应用潜力。

基于上述背景，石河子大学吕银副教授课题组采用熔融缩聚法，设计并制备了具有优异热稳定性与亲水性的生物基共聚酯。所得PBCC (聚(碳酸丁二醇酯-共聚-N,N'-反式-1,4-环己烷双(吡咯烷酮-4-甲基羧酸酯)))共聚酯兼具优异的热稳定性与可调控的亲水性。其高性能源于共聚单体CBPC的独特分子结构设计：刚性的三环骨架显著提升了分子链的堆积密度与热稳定性，而吡咯烷酮侧基的引入赋予聚合物可调极性和增强的亲水特性（图1）。这种结构协同效应使 PBCC共聚酯在保持优异机械与热性能的同时，实现了从疏水到亲水的转变，展现出兼具结构稳定性与界面功能调控能力的生物基高性能材料特征。

_{图1  PBCC共聚酯的合成示意图}

文章系统表征了PBCC共聚物的分子结构(图2)。通过¹H- NMR谱确认了目标单体CBPC的化学结构，谱图中在δ=3.96、3.73、3.53、3.20及2.67 ppm处的信号分别对应于H₂、H₈、H₆、H₅和H₄质子，证实了环己烷双吡咯烷酮二羧酸酯结构的成功合成。随后，通过¹H-NMR与FTIR分析共同验证了CBPC单元已成功引入到PBCC主链中。

图2 CBPC,PBCC结构表征. (a) CBPC的核磁氢谱图; (b) PBCC的核磁氢谱图; (c) PBCC的红外光谱图

文章系统研究了PBCC共聚物的热性能以及力学性能(图3)。差示扫描量热分析(DSC)测试揭示结果表明，随着CBPC含量的增加，材料的熔点(Tₘ)由 56.8 °C提升至 225.8 °C。XRD结果表明，随CBPC含量增加，PBCC的结晶度逐渐降低，说明刚性多环结构有效扰乱了PBC链段的有序堆积。热重分析(TGA)表明，PBCC的初始分解温度(T_d5%)由258.0 °C提高至306.7 °C，显示出显著增强的热稳定性。拉伸测试结果显示，PBCC30的弹性模量和拉伸强度分别达到802 MPa和30 MPa，均高于纯PBC样品，体现出CBPC单元在提升材料刚性方面的突出作用。

图3 PBCC共聚酯的性能表征. (a,b) PBCC共聚酯的热性能; (c) PBCC共聚酯的结晶性能; (d,e) PBCC共聚酯的热稳定性; (f) PBCC共聚酯的力学性能

文章展示了PBCC共聚酯的亲水性(图4)。吡咯烷酮侧基的引入赋予聚合物优异的亲水特性。这种结构协同效应使 PBCC 共聚酯在保持优异机械与热性能的同时，实现了从疏水到亲水的转变，展现出兼具结构稳定性与界面功能调控能力的生物基高性能材料特征。

图4  PBCC共聚酯的水接触角

马晓军硕士与郝小清硕士是该论文的共同第一作者，吕银副教授为通讯作者。

本工作题为“An Excellent Biobased Copolymerization Monomer Module: Synthesisof Biobased Copolymers with Excellent Heat Resistance and Hydrophilic Properties”，发表在Chinese Journal of Polymer Science。

Citation

 Ma, X. J.; Hao, X. Q.; Wang, H. J.; Yao, H. Y.; Wang, Z. Q.; Lv, Y. An excellent biobased copolymerization monomer module: synthesis of biobased copolymers with excellent heat resistance and hydrophilic properties. Chinese J. Polym. Sci.  2025, 43, 2102–2109DOI：10.1007/s10118-025-3433-4