2025年6月4日，汕頭大學、浙江理工大學、浙江大學等機構的研究團隊（通訊作者為張洪杰、朱衛普、蔡秋泉）在國際期刊《Advanced Materials》上發表題為《用于高性能可持續和3D打印平臺的報廢PBT的模塊化分子編輯》的研究論文，首次報道了一種受DNA編輯技術啟發的模塊化分子編輯策略，成功將報廢聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）轉化為高性能、可持續且可3D打印的聚己二酸/對苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）材料平臺，為工程塑料的循環經濟利用提供了突破性解決方案。

一、研究背景

工程聚酯PBT憑借優異的機械性能和熱穩定性，被廣泛應用于汽車、電子等領域。但大量使用后的報廢PBT帶來嚴重的回收難題，傳統的機械回收會導致材料性能顯著下降，化學回收成本高昂且可能產生有害副產物。此外，常見的可降解材料商用PBAT，其性能依賴單一成分且需額外添加劑修飾，難以實現報廢PBT的高值化轉化。因此，開發新型回收策略對解決塑料污染和資源循環問題至關重要。

從報廢PBT構建主干和端基可編程PBAT

二、研究過程

1. 轉換過程（主鏈修飾與共聚物合成） 受DNA編輯技術啟發，研究團隊通過模塊化分子編輯策略改造報廢PBT：首先利用羥基交換反應(HET)，在鈦酸四丁酯等催化劑作用下，將PBT的剛性對苯二甲酸鏈段與柔性己二酸單元通過酯交換反應共聚，生成羥基封端的基礎聚己二酸/對苯二甲酸丁二醇酯(PBAT-OH)。通過調節對苯二甲酸（T）與己二酸（A）的投料比例（如T/A=7:3至3:7），精準調控共聚物的軟硬段分布，實現材料結晶度（15%–30%）和熱性能（玻璃化轉變溫度-35°C至-25°C）的優化。 2. 端基結構確認（官能團修飾與表征） 在端基結構確認（官能團修飾與表征）環節，研究團隊進一步通過羧基交換反應（CET）或乙酰氧基交換反應（EET）對PBAT-OH的端基實施化學修飾，分別引入羧基（-COOH）、甲氧基（-OMe）和乙酰氧基（-OAc），制得PBAT-COOH、PBAT-OMe和PBAT-OAc。借助H核磁共振光譜(H-NMR)與傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)分析證實，端基修飾效率超90%，成功構建了具備反應活性的分子界面，如可交聯的雙鍵或極性基團等。

具有不同端基的PBATs的驗證。a)比較四種不同端基PBATs的預聚物和產物的核磁共振氫譜。b)比較四種不同端基PBATs的預聚物的MALDI-TOF-MS光譜。 3. 性能調查（力學、加工性測試） 編輯后的PBAT材料表現出優異的綜合性能：力學性能方面，拉伸強度達48MPa（比傳統商用PBAT提升37%），斷裂伸長率為620%（接近純PBAT理論值），且無需添加增塑劑或填料。加工性能方面，通過熔融沉積成型（FDM）測試證實，材料在220°C下的熔體粘度為800-1200Pa·s，打印層間粘結強度達4.2MPa，可成型復雜幾何結構（如懸垂角75°的懸臂結構）。此外，材料的耐化學腐蝕性（耐5%氫氧化鈉溶液）優于傳統PBT，浸泡72小時后質量損失僅0.8%。

可編程PBAT的機械和熱特性。a)具有不同組成的PBAT-OH的拉伸性能。b)四種類型的末端官能化PBATs的拉伸應力-應變曲線。c)源自報廢PBT的PBAT與幾種商業聚合物的機械性能比較。LDPE，低密度聚乙烯；PP，聚丙烯；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物；PBS，聚丁二酸丁二醇酯。d)不同組成的PBAT-OH的DSC分析。e)四種末端官能化的PBATs的DSC分析。f)通過DMA測定不同組成的PBAT-OH的熔點。g)通過DMA測量的四種類型的末端官能化PBATs的熔點。h)來自TGA的不同組成的PBAT-OH的分解溫度。I)來自TGA的四種類型的末端官能化PBATs的分解溫度。4. 可持續性評估（閉環回收與生物降解） 聚合物-聚合物閉環回收：將編輯后的PBAT與報廢PBT按質量比3:1共混，通過再酯化反應實現92%的聚合物回收率，再生材料的力學性能保持率達88%。 生物降解性：在堆肥條件(溫度58°C，濕度80%)下，材料6個月內的生物降解率達68%（ISO 14855標準），最終產物為CO?和水，未檢測到有毒殘留物。 環境經濟分析：與原生PBAT生產相比，該工藝每噸可減少1.9噸CO?排放，節約石油消耗3.2桶，且回收成本降低28%。

PBAT的社會和生態可持續性。a)可編程PBAT能夠在不同成分之間實現閉環、聚合物到聚合物的循環，成分變化通過核磁共振氫譜得到證實。b)具有不同n(PBT):n(PBA)比率的PBAT-OH的堆肥降解圖像。虛線圓圈表示完全退化。c)降解半衰期(t1/2)作為降解時間的函數。d)t1/2作為PBAT羥基、PBAT羥基、PBAT羥基和PBAT羥基的降解時間的函數(n(PBT):n(PBA) = 5:5)。插圖顯示了相應時間點的代表性退化圖像。e)顯示降解56天之前和之后樣品表面形態的SEM圖像。

三、研究結論

本研究受DNA編輯技術啟發，開發模塊化分子編輯策略，將報廢PBT轉化為高性能、可持續且可3D打印的PBAT材料平臺。通過羥基交換反應改性PBT分子主鏈，制備出羥基封端的基礎聚己二酸/對苯二甲酸丁二醇酯（PBAT-OH）。在此基礎上，經羧基或乙酰氧基交換反應修飾端基，獲得羧基改性(PBAT-COOH)、甲氧基改性(PBAT-OMe)和乙酰氧基改性(PBAT-OAc)的系列材料。這些再生的純PBAT材料在拉伸強度和韌性優于市售產品，可定制結構適配注塑、3D打印等多元場景，無需額外添加劑即可突破傳統PBAT的功能局限。100升中試實驗表明，該策略可在現有聚酯合成工藝中實現規模化應用。

PBT轉化為PBAT的應用。a)通過分子骨架和端基改性從報廢PBT合成和加工PBAT的示意圖。b)擠出、造粒和著色劑改性后的PBAT產品，帶有注塑成型的“小烏龜”鑰匙鏈。c)PBAT擠壓后收集的3D打印細絲和由細絲制造的產品。d)溶液示意圖(10重量。%在氯仿中)，對PBAT進行流延處理，得到透明膜(厚度:0.02毫米)。e)PBAT(15重量%)的靜電紡絲過程的示意圖。%在六氟異丙醇中)和最終的電紡織物。SEM圖像顯示電紡織物的表面，由直徑約10 μm的纖維和尺寸約80 nm的球形聚集體組成。

值得注意的是，這些PBAT材料可通過重新引入PBT或單體進行結構重構，形成 “聚合物-聚合物” 的閉環回收路徑；當無法回收時，材料可通過堆肥實現生態可持續性，避免有害環境積累。綜上，本研究解決了將報廢工程聚酯轉化為多功能可持續平臺材料的挑戰，具備顯著的環境和經濟潛力。