如今，生物塑料已成为21世纪可持续发展的关键支柱，它们在平衡塑料的环境效益与影响方面展现出显著优势。其中，聚乙烯呋喃酸酯（PEF）作为一种新兴的生物基聚合物，近年来备受瞩目。这种下一代聚合物不仅具有替代传统油基聚合物的潜力，还兼具可再生、无毒以及类似特性等优势。然而，要实现PEF的高效商业生产，仍需克服一些挑战。
那么，究竟什么是PEF呢？PEF，或聚乙烯呋喃酸酯，是一种100%可回收的生物基聚合物。它以植物为原料，通过可再生资源糖进行生产。这种被誉为下一代聚酯的PEF，有望取代传统的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），后者主要源自合成资源。相较于PET，PEF不仅具有出色的阻隔性、机械性和热性能，还拥有高玻璃化转变温度和低熔点，同时更利于回收利用，从而显著减少碳足迹。此外，当使用生物基单乙二醇（MEG）时，由呋喃二甲酸（FDCA）生产的PEF更是实现了100%的生物基成分。
在制造层面，PEF的合成路径与PET相似，通过在乙二醇存在下聚合呋喃二甲酸（FDCA）来制备。这种相似的合成路线使得PEF在成本上具有工业规模上的竞争力，同时提升了包装的可持续性。
呋喃：被忽视的“沉睡巨人”
呋喃，这一在生物塑料领域备受瞩目的关键成分，却往往被世人忽视，仿佛一位沉睡的巨人。它以其独特的化学性质和环保优势，正逐渐在塑料产业中占据一席之地。然而，要让呋喃真正焕发其巨大潜力，全球范围内的关注与研发努力仍不可或缺。
1-羟甲基糠醛（5-HMF）、2,5-呋喃二甲酸（FDCA）以及2,5-二甲基呋喃（2,5-DMF）共同构成了呋喃类（或称呋喃衍生物）的重要分支。呋喃，这一被誉为可再生中间化学品的“沉睡巨人”，正逐渐展现出其巨大的市场潜力。值得一提的是，C6糖（即碳水化合物）被证实为呋喃单体生产的理想原料。而其中，HMF和FDCA更是被视为生产PEF的高潜力起始材料。特别值得一提的是，FDCA（即呋喃二甲酸或2,5-呋喃二甲酸）在呋喃衍生物中占据着举足轻重的地位。
H6O3，其分子式为C6H6O3，分子量为126.11，是一种重要的生物基结构单元。它来源于己糖的氧化脱水，这一转化过程也可通过5-羟甲基糠醛（HMF）的氧化来实现。作为一种具有潜力的化合物，FDCA在树脂和聚合物领域有着广泛的应用，包括聚酯纤维、聚酰胺、共聚物、溶剂、涂料树脂以及增塑剂等。特别值得一提的是，FDCA作为对苯二甲酸（PTA）的替代品，具有显著的市场潜力。PTA是常规合成组分，广泛应用于聚酯的生产，如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）。同时，FDCA还用于生产新兴的聚合物——聚乙烯呋喃酸酯（PEF），这种聚合物在生物基塑料瓶的生产方面展现出了巨大的潜力。此外，生产FDCA的方法多样，包括己糖衍生物脱水等。
2,5-二取代呋喃的氧化与呋喃衍生物的催化转化
FDCA的多功能性不仅体现在其本身，更延伸至通过简单化学转化所能获得的丰富衍生物。例如，部分氢化可得到2,5-二羟甲基呋喃，而完全氢化则产生2,5-双（羟甲基）四氢呋喃，这两者均可作为醇组分，用于新型聚酯的合成，从而拓展出一个完全由生物质衍生的产品系列。
然而，FDCA的生产与应用仍面临技术挑战。其中之一是中间体羟甲基糠醛（5-HMF）的供应限制了高效工艺的开发。另外，糖脱水工艺的开发也是关键，因为该过程能产生多种额外的廉价结构单元。目前，脱水过程往往是非选择性的，除非能迅速将不稳定的中间产物转化为更稳定的化合物。因此，需要研发出有效的选择性脱水系统和催化剂。
此外，FDCA酯化反应的控制以及FDCA单体的反应性对聚合物配制过程中的化学反应和最终聚合物性能的深入理解也是至关重要的。这将有助于进一步推动该技术的商业应用。
PEF与PET的性能对比
PEF作为一种新兴的聚合物，在生物基塑料瓶生产方面展现出巨大潜力。与PET相比，PEF具有出色的阻隔性能，包括高达6倍的O2阻隔性、3倍的CO2阻隔性和2倍的H2O阻隔性。同时，PEF还展现出独特的机械性能，如更高的Tg、较低的Tm、更高的模量和更好的拉伸强度。此外，PEF需要的添加剂更少，可回收性好，且能与PET回收流共混，无需热定形即可实现轻量化和卓越的热稳定性。这些优势使得PEF在成本效益方面也具有潜力。
由PEF制成的产品具有优异的可回收性，或者可以通过焚烧轻松转化为大气中的CO，这一特性使得PEF在环保方面表现出色。
2。随后，CO2将被草、杂草及其他植物所吸收，进而可用于生产更多的PEF。PEF的回收过程与PET相似，可以通过红外分选与PET分离，并经过机械或化学回收成为“rPEF”。值得注意的是，PEF对rPET的影响明显小于尼龙或PLA，这使得它在包装材料中具有显著优势。尽管如此，为了充分发挥PEF的环保潜力，包装重新设计和废物管理方面的进一步措施仍需得到落实。
聚乙烯呋喃酸酯（PEF）被视为循环经济的未来之星。其增长前景广阔，从实验室走向市场指日可待。这得益于2,5-呋喃二甲酸（FDCA）这一关键化学中间体的实用性。目前，多家化工企业正积极投身于FDCA的生产研发之中。例如，AVA-CO2提供了从5-HMF到FDCA的专利转化工艺，瓦赫宁根UR成功制备了FDCA半芳香族聚酯，而Avantium与巴斯夫的联手则致力于使FDCA和PEF成为商业现实。此外，Corbion和苏黎世联邦理工学院也在为PEF的生产和市场推广贡献力量。
