二氧化(huà)碳也(yě)能變塑料？tpu廠家爲你解答(dá)
塑料是重要的(de)有機合成高(gāo)分(fēn)子材料，應用(yòng)非常廣泛。但是廢棄塑料帶來(lái)的(de)“白色污染”也(yě)越來(lái)越嚴重。尋找其他(tā)材料制造塑料，并解決塑料難以降解的(de)問題，成爲很多(duō)科研人(rén)員(yuán)潛心研究的(de)課題之一。
近日，中科院長(cháng)春應用(yòng)化(huà)學研究所研究員(yuán)王獻紅在接受《中國科學報》記者采訪時(shí)表示，他(tā)們已經實現了(le)二氧化(huà)碳基生物(wù)降解塑料的(de)工業化(huà)生産。這(zhè)意味著(zhe)我們可(kě)以利用(yòng)地球上常見且過剩的(de)二氧化(huà)碳，而非完全采用(yòng)石油制作并規模化(huà)生産塑料了(le)。
二氧化(huà)碳變塑料之謎
這(zhè)項研究從1997年開始布局，如今已經走過20個(gè)年頭。“我們終于确認二氧化(huà)碳與環氧丙烷的(de)共聚物(wù)是最有工業化(huà)前景的(de)二氧化(huà)碳共聚物(wù)，因此将其命名爲二氧化(huà)碳基塑料。”王獻紅說。
二氧化(huà)碳變身塑料的(de)制備原理(lǐ)并不難，即二氧化(huà)碳基生物(wù)降解塑料（PPC）的(de)合成本質，屬于在金屬催化(huà)劑活性中心上交替進行環氧丙烷的(de)開環與二氧化(huà)碳的(de)插入反應。那麽，是什(shén)麽讓這(zhè)項研究持續了(le)20年呢(ne)？王獻紅表示，困擾科研人(rén)員(yuán)的(de)是如何研發高(gāo)活性催化(huà)劑，合成出高(gāo)分(fēn)子量二氧化(huà)碳基塑料，并通(tōng)過低成本改性，讓這(zhè)種物(wù)質達到最優性質。
要解決這(zhè)一問題，研究人(rén)員(yuán)首先要解決的(de)就是PPC中的(de)聚醚含量過高(gāo)會導緻材料失去生物(wù)降解性的(de)問題。而要解決這(zhè)一問題就需要保證産物(wù)具有足夠高(gāo)的(de)交替結構，恰好環氧單體聚合活性明(míng)顯高(gāo)于二氧化(huà)碳。“因爲二氧化(huà)碳性質穩定，很難活化(huà)。”王獻紅補充道。
那麽，如何讓環氧單體聚合活性與二氧化(huà)碳活性持平呢(ne)？研究人(rén)員(yuán)采用(yòng)高(gāo)選擇性催化(huà)劑，并需要比較嚴格的(de)聚合條件。
第二個(gè)需要克服的(de)困難就是，雖然高(gāo)分(fēn)子量PPC的(de)熔體強度好，是制備超薄膜的(de)理(lǐ)想材料，但聚合體系黏度随著(zhe)分(fēn)子量的(de)提高(gāo)而增加，進而降低分(fēn)子量。所以需要選擇特殊的(de)攪拌形式和(hé)聚合條件。
第三個(gè)困難則是高(gāo)性能生物(wù)降解地膜材料需要特殊的(de)耐老化(huà)改性，隻是與現在塑料中常見的(de)聚烯烴體系助劑不同，而且成本較高(gāo)。
最終，通(tōng)過長(cháng)期研發，王獻紅帶領研究團隊開發了(le)合适的(de)高(gāo)熱(rè)穩定金屬催化(huà)體系，不但具有較好的(de)選擇性和(hé)催化(huà)效率，還(hái)可(kě)工業化(huà)規模制備重均分(fēn)子量超過50萬的(de)PPC，使PPC耐熱(rè)性進一步提高(gāo)，能夠滿足目前市場(chǎng)對(duì)超薄膜的(de)需求；同時(shí)，研究人(rén)員(yuán)還(hái)在助劑和(hé)成型加工設備上進行了(le)系統研發，在确保PPC物(wù)化(huà)性能的(de)前提下(xià)，大(dà)幅度降低了(le)改性專用(yòng)料成本。
“我們從二氧化(huà)碳與環氧丙烷共聚反應的(de)基本原理(lǐ)出發，探索了(le)非均相、均相等多(duō)種催化(huà)體系下(xià)共聚反應從頭到尾的(de)全過程，對(duì)二氧化(huà)碳共聚反應過程中的(de)能量、質量及動量傳遞進行了(le)詳細研究，同時(shí)研究了(le)二氧化(huà)碳基塑料的(de)結構和(hé)物(wù)化(huà)性能的(de)調控方法，随後在小試、中試過程中對(duì)反應條件進行優化(huà)，在中試基礎上與設計院密切合作，通(tōng)過合理(lǐ)的(de)流程模拟和(hé)放大(dà)，完成萬噸級工藝包的(de)設計，并實現工業化(huà)。”王獻紅表示。
瞄準農業薄膜市場(chǎng)
在王獻紅的(de)記憶中，研究過程中遇到的(de)不如意十之八九。而在數不清的(de)失敗中，王獻紅對(duì)于成功的(de)記憶也(yě)格外深刻。
“2004年4月(yuè)，我們經過3年時(shí)間在蒙西建立的(de)噸級中試裝置試車成功，讓世界第一次看到PPC是可(kě)以工業化(huà)的(de)，雖然後期由于原料和(hé)産品運輸等原因，并沒有在蒙西建立大(dà)型工業化(huà)裝置，但這(zhè)套中試裝置使我們在漫長(cháng)的(de)PPC工業化(huà)道路上邁出堅實一步。”王獻紅回憶道。
在那之後，研究團隊又經曆了(le)5年的(de)嘗試和(hé)耐心的(de)等待，直到2009年6月(yuè)，才在南(nán)通(tōng)華盛新材料公司實現了(le)PPC的(de)連續吹膜，并以PCO2R商标于2011年4月(yuè)獲得(de)美(měi)國生物(wù)降解塑料研究所（BPI）的(de)論證，成爲世界上第一個(gè)PPC的(de)薄膜制品，爲後續超薄生物(wù)降解PPC地膜打下(xià)了(le)紮實基礎。
雖然取得(de)了(le)一定成績，但是王獻紅仍然覺得(de)隻是走出了(le)PPC工業化(huà)的(de)一小步。他(tā)對(duì)現階段的(de)PPC工作并不滿意：一方面成本偏高(gāo)；另一方面PPC的(de)分(fēn)子量仍然需要提高(gāo)，由于PPC是一種不結晶的(de)材料，提高(gāo)分(fēn)子量對(duì)改善其性能尤爲重要，“我們希望能将PPC的(de)重均分(fēn)子量提高(gāo)到100萬以上”。
“科研不應該過分(fēn)追求短期目标，還(hái)是要有一個(gè)長(cháng)期的(de)發展計劃，同時(shí)科研也(yě)應該允許在一定階段可(kě)能出現失敗和(hé)反複。非常感謝中國科學院的(de)科研體制，容忍我們失敗。”王獻紅說。
現在，PPC終于實現了(le)量産，而且其生産能力達到了(le)5萬噸/年。就目前的(de)實驗來(lái)看，PPC即使做(zuò)成5~6微米的(de)超薄膜，仍然具有優良的(de)空氣和(hé)水(shuǐ)氣阻隔性，因此王獻紅瞄準的(de)正是農用(yòng)地膜領域，因爲“這(zhè)是一個(gè)消耗量150萬噸/年的(de)剛需市場(chǎng)”。
王獻紅說，如果PPC進入人(rén)們日常生活，最有可(kě)能出現在快(kuài)遞包裝及膠帶等一次性使用(yòng)的(de)薄膜，隻是時(shí)間略長(cháng)，預計普及工作要10~20年。
“這(zhè)主要是由于目前單線生産規模僅爲2萬噸的(de)水(shuǐ)平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于聚烯烴的(de)百萬噸，成本方面與聚烯烴比仍然有50%以上的(de)差距，缺乏競争力。要想大(dà)規模普及，短期内還(hái)需要做(zuò)好生物(wù)降解塑料的(de)宣傳工作，同時(shí)國家在政策上持續地支持。盡快(kuài)擴大(dà)生産規模，降低成本，開拓合适的(de)應用(yòng)市場(chǎng)仍然是當務之急。”王獻紅補充道。
