Toughening Poly(lactic acid) without Compromise – Statistical Copolymerization with a Bioderived Bicyclic Lactone

化学 双环分子 共聚物 增韧 乳酸 内酯 有机化学 聚合物 细菌 复合材料 遗传学 生物 韧性 材料科学
作者
Lucas A. H. Sanchez,Cristian P. Woroch,David M. Dumas,Robert M. Waymouth,Matthew W. Kanan
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (6): 5212-5219 被引量:15
标识
DOI:10.1021/jacs.4c15697
摘要

Poly(lactic acid) (PLA) offers a renewable and degradable alternative to petroleum-based plastic, but its mechanical properties are not ideal for many applications. Herein, we describe the synthesis and polymerization of 2-oxo-3,8-dioxabicyclo[3.2.1]octane (ODO), a bioderived bicyclic lactone, and show that copolymers of l-lactide (LA) with small amounts of ODO have improved mechanical properties over PLA. Homopolymerization of ODO to poly(oxo-3,8-dioxabicyclo[3.2.1]octane) (PODO) is optimized for both solution-phase, organocatalytic and melt-phase, metal-catalyzed conditions. In comparison to the monocyclic analog, ε-caprolactone (CL), ODO has a lower enthalpy of polymerization and faster rate of polymerization. PODO is an amorphous, elastomeric polyester that has a Tg 90 °C higher than poly(ε-caprolactone) (PCL). Statistical copolymerization of LA with small fractions of ODO yields tough and transparent thermoplastics that have over 12× elongation at break compared to native PLA, while maintaining Tg, Young's modulus (E), and yield strength. Together, these results describe how the incorporation of the tetrahydrofuran ring alters lactone polymerizability and the thermomechanical properties of the homopolymer and copolymer materials.
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