PBS及其复合膜的制备及应用研究进展

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.10.004

中国塑料 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (10): 24-33.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.10.004

PBS及其复合膜的制备及应用研究进展

马志蕊¹, 尹甜², 蒋志魁², 杨璠¹, 祝孟珂¹, 杨洋¹, 韩宇¹, 翁云宣¹, 张彩丽¹()

^1.北京工商大学化学与材料工程学院，塑料卫生与安全质量评价技术北京市重点实验室，北京 100048
^2.中国神华煤制油化工有限公司，北京 100011

收稿日期:2023-04-28 出版日期:2023-10-26 发布日期:2023-10-23
通讯作者: 张彩丽（1989—），女，副教授，从事生物降解高分子材料的研究，zhangcaili@btbu.edu.cn
E-mail:zhangcaili@btbu.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2019YFD1101201);国家自然科学基金项目(52073004);北京市属高校教师队伍建设支持计划优秀青年人才项目(BPHR202203050);北京市科协2023-2025年青年人才托举工程(BYESS2023052)

Research progress in preparation and applications of PBS and its blends

MA Zhirui¹, YIN Tian², JIANG Zhikui², YANG Fan¹, ZHU Mengke¹, YANG Yang¹, HAN Yu¹, WENG Yunxuan¹, ZHANG Caili¹()

^1.College of Chemistry and Materials Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China
^2.Beijing Key Laboratory of Quality Evaluation Technology for Hygiene and Safety of Plastics，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China

Received:2023-04-28 Online:2023-10-26 Published:2023-10-23
Contact: ZHANG Caili E-mail:zhangcaili@btbu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

综述了聚丁二酸丁二醇酯（PBS）及其共混物的制备及应用进展。目前国内外PBS的合成工艺主要有直接酯化法、酯交换法和扩链法。PBS的耐热性好、力学性能优良，是可完全生物降解的脂肪族聚酯，能从根本上解决塑料白色污染的重要材料之一。PBS与脆性可降解聚酯共混可以提高其韧性和生物降解性；通过与其他可再生资源如热塑性淀粉、木薯淀粉、开心果壳粉共混可以提高刚性和熔点，改善力学性能的同时降低成本；与少量无机填料如碳酸钙、二氧化硅等共混不仅可以降低PBS的价格还可以改善PBS的性能。PBS目前主要应用于包装材料、农林业用品、日用杂品、纺织业及医用制品中。PBS作为薄膜应用时其力学性能及气体阻隔性能是两项重要的指标，所以重点总结了对PBS复合膜的力学和阻隔性能的改善研究进展。最后对PBS未来的研究和发展方向进行了展望，指出PBS生产技术应该向综合性能高、成本低和绿色环保方向发展。

关键词: 聚丁二酸丁二醇酯, 可生物降解膜, 共混改性, 应用

Abstract:

The paper reviewed the research progress in the preparation and applications of poly（butylene succinate）（PBS） and its blends. The current main synthesis technologies of PBS at home and abroad include direct esterification， transesterification， and chain extension. PBS is a type of completely biodegradable aliphatic polyester with good heat resistance and excellent mechanical properties， and it is capable of fundamentally solving the plastic white pollution as one of the most important biodegradable materials. The PBS blends with other brittle degradable polyesters can improve its toughness and biodegradability. Through blending with other renewable resources， The PBS blends can obtain an increase in rigidity， melting point， and mechanical properties， but a decrease in the cost. Through blending with a small quantity of inorganic fillers such as calcium carbonate and silica， PBS obtained not only a decrease in price but also an improvement in performance. In the present， PBS is mainly used in packaging materials， agricultural and forestry supplies， household goods， textiles， and medical products. The mechanical and gas barrier properties of PBS are two important indicators for its thin films. This review focused on the research progress in improving the mechanical properties and gas barrier properties of PBS composite films. Finally， the future research and development direction of PBS was prospected. The future direction in the PBS production technology will be to develop PBS products with high comprehensive performance， low cost， and green environment protection.

Key words: poly（butylene succinate）, biodegradable film, blending modification, application

中图分类号:

TQ323.4

马志蕊, 尹甜, 蒋志魁, 杨璠, 祝孟珂, 杨洋, 韩宇, 翁云宣, 张彩丽. PBS及其复合膜的制备及应用研究进展[J]. 中国塑料, 2023, 37(10): 24-33.

MA Zhirui, YIN Tian, JIANG Zhikui, YANG Fan, ZHU Mengke, YANG Yang, HAN Yu, WENG Yunxuan, ZHANG Caili. Research progress in preparation and applications of PBS and its blends[J]. China Plastics, 2023, 37(10): 24-33.

图/表 9

图1 不同单体来源PBS的合成［8］

Fig.1 Synthesis of PBS with different monomer sources［8］

样品	玻璃化转变温度/℃	熔融温度/℃	热变形温度/℃	断裂拉伸强度/MPa	断裂伸长率/%	冲击强度/J·m^-1	结晶度/%
PBS	-35	114	97	34	560	300	40
PET	80	250	98	71.6	70	110	35
PLA	60	175	58	53	6	13	50
PP	-5	163	110	33	415	20	56
PE⁃HD	-120	129	82	28	700	40	69
PE⁃LD	-120	110	49	10	300	410	49

表1 PBS与PLA、PP、PE⁃HD、PE⁃LD的物理性能

Tab.1 Comparison of physical properties of PBS with those of PET，PLA，PP，PE⁃HD and PE⁃LD

图2 PBS膜的制备技术

Fig.2 Preparation methods for PBS based films

样品名称	相容剂/扩链剂	拉伸强度/MPa	断裂伸长率/%	参考文献
PBS/PLA/EGMA（10/90/12）	乙烯⁃丙烯酸甲酯⁃甲基丙烯酸缩水甘油酯（EGMA）	23	460	［18］
PBS/PLA/EJ400（23/67/10）	聚丙烯乙二醇二缩水甘油酯（EJ400）	37	190	［19］
PBS/PLA/MFC⁃EPI（10/90/2）	环氧微纤化纤维素（MFC⁃EPI）	71	274	［20］
PBS/PLA/TDI（30/70/9）	甲苯二异氰酸酯（TDI）	36	285	［21］
PBS/PLA/rPBSL（20/80/5）	丁二酸⁃乳酸共聚物（rPBSL）	40	340	［22］
PBS/PLA/ISE（20/80/15）	异山梨醇二元酸脂（ISE）	22	260	［23］
PBS/PLA/ATBC（17/63/20）	乙酰柠檬酸三丁酯（ATBC）	33	580	［24］
PBS/PLA/TPP（20/80/0.5）	亚磷酸三苯酯（TPP）	34	455	［25］

表2 提高PLA/PBS混合材料相容性用到的相容剂/扩链剂

Tab.2 Compatibilizers/chain extenders used to improve the compatibility of PLA/PBS blends

图3 熔融共混过程中PLA、PBS和EGMA之间可能发生的原位反应［19］

Fig.3 Schematic diagram of possible reaction routes in PLA/PBS blend with the inclusion of EGMA［19］

图4 PBS/PLA共混物的AFM图像［20］

Fig.4 AFM 3D images of PBS/PLA blends［20］

图5 PBS⁃木质素凝胶增容剂混合时可能发生的自由基接枝反应［35］

Fig.5 Potential situations of free radical grafting in forming PBS⁃lignin gel compatibilizer［35］

图6 OMMT在共混物中的分散、插层、剥落的变化［39］

Fig.6 The evolution of dispersion， intercalation and exfoliation of OMMT in the blend［39］

图7 PLA/PBS（60/40）蚀刻后的断面照片和 PLA/PBS（80/20）的纳米纤维SEM照片及PLA/PBS（80/20）的2D⁃SAXS照片

Fig.7 SEM of section cryofracture surfaces of in⁃situ nanofibrillar composites after etching PLA matrix for PLA/PBS （60/40） and nanofibrils for PLA/PBS （80/20） and 2D⁃SAXS patterns for PLA/PBS （80/20）

参考文献 53

1	Thurber H， Curtzwiler G W.Suitability of poly（butylene succinate） as a coating for paperboard convenience food packaging［J］.International Journal of Biobased Plastics，2020，2：1⁃12.
2	Liminana P， Garcia⁃Sanoguera D， Quiles⁃Carrillo L，et al.Development and characterization of environmentally friendly composites from poly（butylene succinate）（PBS） and almond shell flour with different compatibilizers［J］.Compos Part B⁃Eng，2018，144：153⁃162.
3	Pan P， Inoue Y.Polymorphism and isomorphism in biodegradable polyesters［J］.Prog Polym Sci，2009，34：605⁃640.
4	Shih Y F， Chen L S， Jeng R J.Preparation and properties of biodegradable PBS/multi⁃walled carbon nanotube nanocomposites［J］.Polymer，2008，48：4 602⁃4 611.
5	Zeng J B， Li Y D， Zhu Q Y，et al.A novel biodegradable multiblock poly（ester urethane） containing poly（L⁃lactic acid） and poly（butylene succinate） blocks［J］. Polymer，2009，50：1 178⁃1 186.
6	Suleyman H， Albayrak A， Bilici M，et al. Different mechanisms in formation and prevention of indomethacin⁃induced gastric ulcers［J］. Inflammation，2010，33：224⁃234.
7	Rudnik E.Compostable polymer materials：definitions，structures，and methods of preparation［J］.Handbook of Biopolymers and Biodegradable Plastics，2013，20：189⁃211.
8	Rafiqah S A， Khalina A， Harmaen A S，et al.A review on properties and application of bio⁃based poly（butylene succinate）［J］.Polymers（Basel），2021，13：1 309⁃1 436.
9	Zhou X X， Dou Q.Preparation of poly（butylene succinate）/soy protein isolate bio⁃composites by reactive compatibilization with peroxide and acrylate［J］. J Polym Environ， 2021，30：1 847⁃1 863.
10	Bautista M， Ilarduya A M， Alla A，et al. Poly（butylene succinate） ionomers with enhanced hydrodegradability［J］.Polymers⁃Basel，2015，7：1 232⁃1 247.
11	Bautista M， Ilarduya A M， Alla A，et al. Cationic poly（butylene succinate） copolyesters［J］. Eur Polym J，2016，75：329⁃342.
12	Tokiwa Y， Calabia B P， Ugwu C U，et al.Biodegradability of plastics［J］. Int J Mol Sci， 2009，10：3 722⁃3 742.
13	Kanemura C， Nakashima S， Hotta A.Mechanical properties and chemical structures of biodegradable poly（butylene⁃succinate） for material reprocessing［J］. Polym Degrad Stabil，2012，97：972⁃980.
14	Yu L， Ke S M， Zhang Y H，et al. Dielectric relaxations of high⁃k poly（butylene succinate） based all⁃organic nanocomposite films for capacitor applications［J］. J Mater Res，2011，26：2 493⁃2 502.
15	Petchwattana N， Covavisaruch S， Wibooranawong S，et al. Antimicrobial food packaging prepared from poly（butylene succinate） and zinc oxide［J］.Measurement，2016，93：442⁃448.
16	Saeng⁃on J， Aht⁃Ong D.Compatibility of banana starch nanocrystals/poly（butylene succinate） bio⁃nanocomposite packaging films［J］. Journal of Applied Polymer Science，2018，135： 46 836.
17	Jariyasakoolroj P， Makyarm K， Klairasamee K，et al.Crystallization behavior analysis and reducing thermal shrinkage of poly（lactic acid） miscibilized with poly（butylene succinate） film for food packaging［J］. Journal of Applied Polymer Science，2023，978：53915.
18	Xue B， He H， Zhu Z，et al.A facile fabrication of high toughness poly（lactic acid） via reactive extrusion with poly（butylene succinate） and ethylene⁃methyl acrylate⁃glycidyl methacrylate［J］.Polymers （Basel），2018，10：1 012⁃1 401.
19	Mallegni N， Phuong T V， Coltelli M B，et al.Poly（lactic acid）（PLA） based tear resistant and biodegradable flexible films by blown film extrusion［J］. Materials （Basel），2018，11：148.
20	Deng Y， Thomas N L.Blending poly（butylene succinate） with poly（lactic acid）：ductility and phase inversion effects［J］.Eur Polym J，2015，71：534⁃546.
21	Phetwarotai W， Maneechot H， Kalkornsurapranee E，et al.Thermal behaviors and characteristics of polylactide/poly（butylene succinate） blend films via reactive compatibilization and plasticization［J］.Polym Advan Technol，2018，29：2 121⁃2 133.
22	Supthanyakul R， Kaabbuathong N， Chirachanchai S.Random poly（butylene succinate⁃co⁃lactic acid） as a multi⁃functional additive for miscibility，toughness，and clarity of PLA/PBS blends［J］. Polymer，2016，105：1⁃9.
23	Fortunati E， Puglia D， Iannoni A，et al.Thermal and mechanical responses of stretchable poly （lactic acid）/poly （butylene succinate） films［J］. Materials （Basel），2017，10：10 070 809.
24	Gigante V， Coltelli M B， Vannozzi A，et al.Flat die extruded biocompatible poly（lactic acid）（PLA）/poly（butylene succinate）（PBS） based films［J］. Polymers （Basel），2019，11：1 111⁃1 857.
25	Ma M， Xu L， Liu K，et al.Effect of triphenyl phosphite as a reactive compatibilizer on the properties of poly（L‐lactic acid）/poly（butylene succinate） blends［J］.Journal of Applied Polymer Science，2019，137：48646.
26	Wu F， Misra M， Mohanty A K.Novel tunable super⁃tough materials from biodegradable polymer blends： nano⁃structuring through reactive extrusion［J］.RSC Adv，2019，9：2 836⁃2 847.
27	Ma P M， Hristova⁃Bogaerds D G， Lemstra P J，et al.Toughening of PHBV/PBS and PHB/PBS blends via in situ compatibilization using dicumyl peroxide as a free⁃radical grafting initiator［J］.Macromol Mater Eng，2012，297：402⁃410.
28	Fahrngruber B，Fortea⁃Verdejo， Wimmer R，et al.Starch/poly（butylene succinate） compatibilizers： effect of different reaction⁃approaches on the properties of thermoplastic starch⁃based compostable films［J］.J Polym Environ，2019，28：257⁃270.
29	Ayu R S， Khalina A， Harmaen A S，et al.Characterization study of empty fruit bunch （EFB） fibers reinforcement in poly（butylene） succinate （PBS）/starch/glycerol compo⁃site sheet［J］. Polymers （Basel），2020，12：1 207⁃1 571.
30	Rojas⁃Lema S， Arevalo J， Gomez⁃Caturla J，et al.Peroxide⁃induced synthesis of maleic anhydride⁃grafted poly（butylene succinate） and its compatibilizing effect on poly（butylene succinate）/pistachio shell flour composites［J］.Molecules，2021，26：2 619⁃5 927.
31	Rasheed M， Jawaid M， Parveez B，et al.Morphology， structural， thermal， and tensile properties of bamboo microcrystalline cellulose/poly（lactic acid）/poly（butylene succinate） composites［J］. Polymers （Basel），2021，13：465.
32	Rasheed M， Jawaid M， Parveez B.Bamboo fiber based cellulose nanocrystals/poly（lactic acid）/poly（butylene succinate） nanocomposites：morphological， mechanical and thermal properties［J］. Polymers （Basel），2021，13：1 076.
33	Xu J， Manepalli P H， Zhu L，et al.Morphological，barrier and mechanical properties of films from poly （butylene succinate） reinforced with nanocrystalline cellulose and chitin whiskers using melt extrusion［J］.Journal of Polymer Research，2019，26：191 783.
34	Zhang Y， Zhou S M， Fang X C，et al.Renewable and flexible UV⁃blocking film from poly（butylene succinate） and lignin［J］.Eur Polym J，2019，116：265⁃274.
35	Zhou X， He T Z， Jiang Y K，et al.A novel network⁃structured compatibilizer for improving the interfacial behavior of PBS/lignin［J］.Acs Sustain Chem Eng，2021，9：8 592⁃8 602.
36	Saffian H A， Yamaguchi M， Ariffin H，et al.Physical and mechanical properties of poly（butylene succinate）/kenaf core fibers composites reinforced with esterified lignin［J］. Polymers （Basel），2021，13：1 314⁃2 359.
37	Xiong L， Tu Z， Zhang S， Liu X，et al.Preparation of PBS and CaCO₃ composite degradable materials based on melt blending［J］.IOP Conference Series： Materials Science and Engineering，2020，730：012 012.
38	Jamnongkan T， Yosta A， Thanesthakul B，et al.Effect of ZnO nanoparticles on the physical properties of PLA/PBS biocomposite films［J］.Materials Science Forum，2021，1033： 143⁃150.
39	Tan L C， He Y， Qu J R.Structure and properties of polylactide/poly（butylene succinate）/organically modified montmorillonite nanocomposites with high⁃efficiency intercalation and exfoliation effect manufactured via volume pulsating elongation flow［J］.Polymer，2019，180：121656.
40	Karakehya N.Comparison of the effects of various reinforcements on the mechanical，morphological，thermal and surface properties of poly（butylene succinate）［J］.Int J Adhes Adhes，2021，110：102949.
41	Aversa C， Barletta M， Gisario A，et al.Corotating twin⁃screw extrusion of poly（lactic acid） PLA/poly（butylene succinate） PBS/ micro⁃lamellar talc blends for extrusion blow molding of biobased bottles for alcoholic beverages［J］.Journal of Applied Polymer Science，2021，138：51 294.
42	Ilsouk M， Raihane M， Rhouta B，et al.The relationship of structure，thermal and water vapor permeability barrier properties of poly（butylene succinate）/organomodified beidellite clay bionanocomposites prepared by in situ polycondensation［J］.RSC Adv，2020，10：37 314⁃37 326.
43	Xie L， Xu H， Niu B，et al.Unprecedented access to strong and ductile poly（lactic acid） by introducing in situ nanofibrillar poly（butylene succinate） for green packaging［J］.Biomacromolecules，2014，15：4 054⁃4 064.
44	Messin T， Marais S， Follain N，et al.Biodegradable PLA/PBS multinanolayer membrane with enhanced barrier performances［J］.Journal of Membrane Science，2020，598：117777.
45	Bumbudsanpharoke N， Wongphan P， Promhuad K，et al.Morphology and permeability of bio⁃based poly（butylene adipate⁃co⁃terephthalate）（PBAT），poly（butylene succinate）（PBS） and linear low⁃density polyethylene （LLDPE） blend films control shelf⁃life of packaged bread［J］.Food Control，2022，132：108541.
46	Sharma R， Jafari S M，Sharma.Antimicrobial bio⁃nanocomposites and their potential applications in food packaging［J］.Food Control，2020，112：107086.
47	Aziman N， Kian L K， Jawaid M， al et，Morphological，structural，thermal，permeability， and antimicrobial activity of PBS and PBS/TPS films incorporated with biomaster⁃silver for food packaging application［J］.Polymers （Basel），2021，13：126348.
48	Nanni A， Ricci A， Versari A，et al.Wine derived additives as poly（butylene succinate）（PBS） natural stabilizers for different degradative environments［J］.Polym Degrad Stabil，2020，182：109381.
49	Lopusiewicz L， Zdanowicz M， Macieja S，et al.Development and characterization of bioactive poly（butylene⁃succinate） films modified with quercetin for food packaging applications［J］.Polymers （Basel），2021，13：1 311⁃1 798.
50	Siracusa V， Rocculi P， Romani S，et al.biodegradable polymers for food packaging： a review［J］.Trends Food Sci Tech，2008，19：634⁃643.
51	Yamamoto⁃Tamura K， Hoshino Y T， Tsuboi S，et al.Fungal community dynamics during degradation of poly（butylene succinate⁃co⁃adipate） film in two cultivated soils in Japan［J］.Biosci Biotechnol Biochem，2020，84：1 077⁃1 087.
52	Bi S W， Pan H， Barinelli V，et al.Biodegradable polyester coated mulch paper for controlled release of fertilizer［J］.Journal of Cleaner Production，2021，294：126⁃348.
53	Liu W J， Ren X.Study on the application of the narrow distribution and controlled molecular weight hindered amine lighter stabilizers in poly（butylene succinate）［J］.J Macromol Sci A，2019，56：535⁃543.

[1]	李丹, 赵彪, 陈轲, 王帆, 张靖宇, 张凤波, 潘凯. 中空聚丙烯纤维制备及应用研究进展[J]. 中国塑料, 2023, 37(9): 109-114.
[2]	任国振, 王蒙蒙, 黄建建, 晋刚. 体积拉伸流场下PEEK/TLCP共混物的制备及性能研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(8): 1-7.
[3]	张文超辛菲刘昊育王雪晶. 有机长余辉材料研究进展[J]. , 2023, 37(6): 131-140.
[4]	孙菁, 熊发强, 邓汝辉, 陶雅娴, 陈兴刚. 智能高分子材料在医学监控中的研究进展[J]. 中国塑料, 2023, 37(10): 40-49.
[5]	马志蕊尹甜蒋志魁杨璠祝孟珂杨洋韩宇翁云宣张彩丽. PBS及其复合膜的制备及应用研究进展[J]. , 2023, 37(10): 24-33.
[6]	孙菁熊发强邓汝辉陶雅娴陈兴刚. 智能高分子材料在医学监控中的研究进展[J]. , 2023, 37(10): 40-49.
[7]	马超, 马兰荣, 魏辽, 尹慧博, 林祥. 聚乙醇酸材料的加工改性及其水下降解特性的研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(9): 74-84.
[8]	冯凯, 李永青, 马秀清, 韩颖. 聚甲醛增韧改性的研究进展及应用[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 157-164.
[9]	冯冰涛, 王晓珂, 张信, 孙国华, 汪殿龙, 侯连龙, 马劲松. 连续碳纤维增强热塑性复合材料制备与应用研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 165-173.
[10]	杨小龙, 陈文静, 李永青, 闫晓堃, 王修磊, 谢鹏程, 马秀清. 导电型聚合物/石墨烯复合材料的研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 165-173.
[11]	魏茂强. 农用塑料薄膜的发展与探讨[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 92-99.
[12]	董露茜, 徐芳, 翁云宣. 聚乙醇酸改性及其应用研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 166-174.
[13]	蒋森, 王立岩, 陈延明, 张乐, 翟桂法. MPO改性PBS共聚酯的合成及其热性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 24-29.
[14]	黎玉山, 李杰. PDMS耐久性超疏水表面的研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(3): 167-176.
[15]	姚逸, 张尔杰, 卢昌利, 王超军, 焦建, 曾祥斌. 食品接触法规对PBS发展的影响浅析[J]. 中国塑料, 2022, 36(10): 125-130.

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