為何選擇2,5-呋喃二甲酸（FDCA）可降解材料？

來源：作者：人氣：-發表時間：2023-09-04 11:08:00【大中小】

2,5-呋喃二甲酸（FDCA）用于生產生物降解塑料、不飽和樹脂，也可用作石油基高聚物的短期改性劑，市場潛力巨大。 FDCA 已躋身于生物基工業產品的10大生物精煉碳水化合物衍生物之列。在聚酯生產中，FDCA 可作為對苯二甲酸的可再生且環保的替代品，被認為是眾多石化產品（如對苯二甲酸和己二酸）的替代品。

可降解材料在現代社會中變得越來越重要，因為人們對環境保護和可持續發展的需求不斷增加。在尋找適用于可降解材料的原料時，2,5-呋喃二甲酸（FDCA）作為一個引人注目的選擇，具有一系列優點，使其成為眾多可降解材料產品的理想原料。

生物可降解性： 2,5-呋喃二甲酸是一種天然的有機酸，具有優異的生物可降解性。在環境中，它能夠迅速分解成更小的分子，并被微生物降解，從而減少對生態系統的持久影響。這使得以2,5-呋喃二甲酸為原料制造的可降解產品更能夠減少塑料垃圾的產生。

環保性： 2,5-呋喃二甲酸的生產過程通常使用可再生資源，減少了對有限石化資源的依賴。相比傳統石化原料，其生產所產生的溫室氣體排放更少，從而有助于減緩氣候變化。

優良性能：具有優異的阻氣性、耐熱性和生物降解性，適用于食品包裝、飲料瓶等領域。同時，它作為增塑劑和環保成分，可用于制造各類塑料制品、化妝品和個人護理產品。

中文名	2,5-呋喃二甲酸
外文名	2,5-Furandicarboxylicacid
別名	FDCA
化學式	C6H4O5
分子量	156.093
CAS登錄號	3238-40-2
沸點	419.20 ℃
密度	1.604 g/cm3
外觀	白色固體

2,5-呋喃二甲酸是一種重要的生物基化工原料，其廣泛應用于聚酯、增塑劑、涂料等領域。作為可生物降解的化學品，FDCA具備出色的熱穩定性、機械性能和高生物透明性，因此在制造聚酯、聚酰胺、涂料等多種材料中得到廣泛應用。研究者們越來越關注FDCA的結構，因為它作為可替代石化來源的生物質原料，具有可持續生產的潛力，不僅能夠減少碳足跡，還能對環境產生更友好的影響。

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生物基塑料應用：

生物基塑料已成為一項重要發展趨勢，其中2,5-呋喃二甲酸（FDCA）作為生物可降解的原料，在生物基塑料制造領域得到廣泛應用。這些生物基塑料利用可再生資源制造，降低對有限的石化資源的依賴。制造過程中減少溫室氣體排放，使用結束后易于降解，有助于緩解塑料垃圾問題。

《Synthesis and characterisation of polyamides based on 2,5-furandicarboxylic acid as a sustainable building block for engineering plastics》介紹了基于生物基單體2,5-呋喃二甲酸的半芳香聚酰胺的合成及特性。該聚酰胺在熔融縮聚法下，通過使用Ti-異丙氧化物和Ti-檸檬酸鹽這兩種催化劑，實現了高分子量和高玻璃化轉變溫度（130°C），并表現出良好的力學性能和熱穩定性。

《Recent Progress on Bio-Based Polyesters Derived from 2,5-Furandicarbonxylic Acid (FDCA)》總結了基于FDCA的聚酯及其復合材料的進展，特別關注其熱力學、結晶、阻隔性能和生物降解性能。該研究指出，FDCA作為一種生物基建筑單元，具有巨大的應用潛力，可以替代石化來源的對苯二甲酸，制備高性能的芳香聚酯。

《Isosorbide and 2,5-Furandicarboxylic Acid Based (Co)Polyesters: Synthesis, Characterization, and Environmental Degradation》研究了異山梨醇與2,5-呋喃二甲酸基（共）聚酯，完全來源于可再生資源，且具備定制特性，尤其是良好的可降解性。通過ATR-FTIR、1H和13C NMR、XRD光譜以及熱分析（TGA和DSC）等全面表征這些共聚酯，結果顯示它們具有高熱穩定性（達330°C），且隨著2,5-呋喃二甲酸含量增加，玻璃化轉變溫度從約9°C上升至約60°C。通過引入生物基的2,5-呋喃二甲酸、異山梨醇和十二二酸，成功地調控了這些新型聚酯的熱性能和生物降解性能。研究揭示了基于異山梨醇和2,5-呋喃二甲酸的共聚酯在可持續包裝材料領域具有潛在的應用前景。

《Synthesis and Characterization of All Renewable Resources Based Branched Polyester: Poly(2,5-furandicarboxylic acid-co-glycerol》指出，通過在2 mol% Sb2O3催化劑存在下，將全生物可再生基單體2,5-呋喃二甲酸和甘油在210°C下縮合，成功合成了支化聚酯樹脂，收率達70%。通過元素分析、核磁共振（NMR）、傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）和熱重分析（TGA-DTG）等手段對該樹脂進行了詳細表征。

《Polyester resin, production method for said polyester resin, and polyester resin composition》提供了一種聚酯樹脂，其中主鏈包含2,5-呋喃二甲酸單元和環己二甲醇單元，具備高分子量、耐熱性和水解穩定性，并且具有優異的機械性能和熔融熱穩定性。該論文還介紹了一種制備具有高反應速率和上述性質的聚酯樹脂的方法。

增塑劑應用：

2,5-呋喃二甲酸作為一種增塑劑，具有改善塑料柔韌性和加工性的特性。增塑劑在塑料制品中的應用可以提高塑料的柔韌性和可加工性，而2,5-呋喃二甲酸作為一種非鹵素增塑劑，既具有環保性又具備安全性。因此，它在食品包裝、玩具、家居用品、電子設備等多個領域中被廣泛應用。

《Synthesis and Plasticizing Effect of Novel Bio-base Plasticizers Based on Furanedicarboxylic Acid》著重探究了基于2,5-呋喃二甲酸（FDCA）、反式2己烯醇（Is）和1,12-十二二酸（DDA）合成的異山梨醇-2,5-呋喃二甲酸酯-共-十二二酸酯（Is/FDCA/DDA）聚酯作為PVC增塑劑的效果。研究結果表明，新型生物基增塑劑均能提升PVC材料的沖擊強度，尤以2,5-呋喃二甲酸二正己酯（DNHFDC）的效果更為顯著，相較2,5-呋喃二甲酸二（反式2己烯）酯（DT2HFDC）。當增塑劑添加量達到10%，以DNHFDC作為增塑劑的PVC材料的沖擊強度提高了0.28 kJ/m2，拉伸強度降低了4.2 MPa。這一研究為基于2,5-呋喃二甲酸的增塑劑在PVC材料中的應用提供了有益的指導和理論基礎。

《生物基增塑劑綠色合成工藝研究》聚焦于增塑劑在聚合物中的關鍵作用，其功能主要在于調節材料性質，特別是降低玻璃化轉變溫度（Tg）以賦予材料更好的柔韌性和延展性。傳統的石油基增塑劑，如鄰苯二甲酸酯類，雖然在市場上占據主導地位，但研究發現其可能對人體健康造成潛在危害，因此推動了對環保的生物基增塑劑的研究熱潮。本研究通過綠色合成方法，成功開發了2,5-呋喃二甲酸二異辛酯和異山梨醇二辛酸酯這兩種生物基增塑劑，并設計合成了一種新型增塑劑。這些增塑劑在PVC材料中的應用效果經過增塑性能測試得以驗證。

論文中還提到，該研究采用大腸桿菌表達系統表達酶催化劑，通過酶催化對5-羥甲基糠醛（HMF）進行氧化合成2,5-呋喃二甲酸（FDCA），并運用綠色催化劑離子液體進一步將FDCA和異辛醇催化反應，成功合成2,5-呋喃二甲酸二異辛酯。異山梨醇和辛酸酐也被利用，通過離子液體催化合成異山梨醇二辛酸酯。這些新型增塑劑的綠色制備方法展現了可持續發展的潛力，為塑料材料的環保改良提供了新的途徑。

涂料行業應用：

對于可持續性和環保性的關注越發引人注目。在這個背景下，涂層材料作為關鍵的應用領域，正經歷著以創新材料為基礎的革命性變革。2,5-呋喃二甲酸及其衍生物作為全新生物基聚酯粘結劑及其在聚氨酯（PU）涂層中的應用潛力巨大。

《Development and Life Cycle Assessment of Polyester Binders Containing 2,5-Furandicarboxylic Acid and Their Polyurethane Coatings》介紹了一種基于2,5-呋喃二甲酸（FDCA）的全新生物基聚酯粘結劑，作為制備聚氨酯（PU）涂層的前體。這種生物基結構包括甘油、1,3-丙二醇、2,5-呋喃二甲酸和琥珀酸。通過與傳統聚異氰酸酯進行交聯反應，制備了相應的PU涂層。研究評估了技術性能，并將其與部分生物基和化石基聚酯粘結劑進行比較。研究結果顯示，新型PU涂層更堅硬且更親水，從而提高了附著力。通過生命周期評估，研究還表明基于FDCA的新型聚酯粘結劑在溫室氣體排放和非可再生能源消耗方面都顯著降低，分別為-36％和-79％、-38％和-60％。該研究展示了基于FDCA的新型聚酯粘結劑的制備方法及其在涂層領域中的潛在應用，同時也強調了其在環境方面的優勢，為可持續涂層材料的開發提供了有益信息。

《Linear and Branched Polyester Resins Based on Dimethyl-2,5-Furandicarboxylate for Coating Applications》通過無需溶劑的大規模縮聚技術制備了基于二甲基-2,5-呋喃二甲酸酯、2,3-丁二醇以及不同共聚單體的羥基端封閉的（共）聚酯樹脂，適用于涂層應用。這些材料經過異氰酸酯化合物的交聯反應制備涂層，涂層厚度介于30至55微米之間，具有高硬度但相對脆弱。研究顯示，這些基于DMF的聚酯樹脂在生物基涂層應用方面具有潛在的應用前景。研究還進行了廣泛的分子和熱性質表征，發現它們適合溶劑型涂層，制備的涂層表現出良好的耐溶劑性。總體而言，這項研究表明基于二甲基-2,5-呋喃二甲酸酯的聚酯樹脂在生物基涂層應用領域具有潛在前景，并為進一步開發和應用這類涂層材料提供了有價值的信息。

食品包裝行業應用：

采用2,5-呋喃二甲酸制成的生物基塑料用于食品和飲料包裝，有助于降低塑料包裝對環境的影響。這些塑料不含有害物質，確保食品安全，且易于降解，減少了塑料污染問題。

《Insights into the Synthesis of Poly(ethylene 2,5-Furandicarboxylate) from 2,5-Furandicarboxylic Acid: Steps toward Environmental and Food Safety Excellence in Packaging Applications》探討了聚乙二醇2,5-呋喃二甲酸酯（PEF）的合成，這是一種在包裝應用中具有極高前景的生物基聚合物。盡管現有文獻已描述了基于2,5-呋喃二甲酸二甲酯的酯交換合成方法，但現在需要一種實際可行且經濟可行的PEF合成途徑，其中包括直接將2,5-呋喃二甲酸酯化的步驟。為此，研究選擇了鋅醋酸鹽和乙酰丙酮鋁兩種催化劑，因其適用于食品接觸應用并具有潛在的環境友好特性。研究還關注了最終PEF的粘度、顏色和二乙二醇含量等特性，這些因素可能顯著影響其熱性能和阻隔性能。此外，所得到的非晶態聚合物也呈現出潛在的應用前景。這項研究為實現環境友好且與食品安全相關的PEF合成方法提供了深入的洞察，從而推動在包裝領域的應用。

《Improved polymerization and depolymerization kinetics of poly(ethylene terephthalate) by co-polymerization with 2,5-furandicarboxylic acid》探討了聚對苯二甲酸乙二酯與生物基單體2,5-呋喃二甲酸（FDCA）的共聚作用。對苯二甲酸乙二酯因其透明度、食品安全性、韌性和阻隔性能在剛性包裝中應用廣泛。研究發現，FDCA在提升對苯二甲酸乙二酯的酯化反應動力學和堿水解動力學方面具有多重功能。通過與不同含量的FDCA共聚，可以增強單體的溶解性，改善酯化反應動力學。在堿水解過程中，FDCA單元幾乎使轉化率和單體產率翻倍。這表明FDCA有助于促進對苯二甲酸乙二酯的酯化和水解反應，可能降低反應溫度或縮短反應時間，以改善對苯二甲酸乙二酯的制備和降解過程，減少碳足跡。總的來說，這項研究為PET的改性合成和環保降解提供了新的見解。

尼龍纖維：

《Semi-bio-based aromatic polyamides from 2,5-furandicarboxylic acid: toward high-performance polymers from renewable resources》報道了一種半生物基芳香聚酰胺的制備及性能。該聚酰胺由FDCA和1,4-二氨基苯乙烷（DAPE）組成，通過溶液縮聚法制備。研究結果顯示，該聚酰胺具有優異的熱力學、力學和電學性能，以及出色的耐水解性和耐紫外線性能。

醫藥應用：

2,5-呋喃二甲酸二鈣可抑制巨大芽孢桿菌的生長。對 FDCA 衍生苯胺類化合物的篩選研究表明其具有重要的抗菌作用。二酸本身是一種強絡合劑，可螯合Ca2+、Cu2+、Pb2+等離子；它在醫學上用于去除腎結石。

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