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塑料是有机合成高分子材料 二氧化碳也能变塑料

这是今年在陕西佳县铺膜PPC地膜示范,大约有 1000亩

  塑料是重要的有机合成高分子材料,应用非常广泛。但是废弃塑料带来的“白色污染”也越来越严重。寻找其他材料制造塑料,并解决塑料难以降解的问题,成为很多科研人员潜心研究的课题之一。

  近日,中科院长春应用化学研究所研究员王献红在接受《中国科学报》记者采访时表示,他们已经实现了二氧化碳基生物降解塑料的工业化生产。这意味着我们可以利用地球上常见且过剩的二氧化碳,而非完全采用石油制作并规模化生产塑料了。

二氧化碳变塑料之谜

  这项研究从1997年开始布局,如今已经走过20个年头。“我们终于确认二氧化碳与环氧丙烷的共聚物是最有工业化前景的二氧化碳共聚物,因此将其命名为二氧化碳基塑料。”王献红说。

  二氧化碳变身塑料的制备原理并不难,即二氧化碳基生物降解塑料(PPC)的合成本质,属于在金属催化剂活性中心上交替进行环氧丙烷的开环与二氧化碳的插入反应。那么,是什么让这项研究持续了20年呢?王献红表示,困扰科研人员的是如何研发高活性催化剂,合成出高分子量二氧化碳基塑料,并通过低成本改性,让这种物质达到最优性质。

  要解决这一问题,研究人员首先要解决的就是PPC中的聚醚含量过高会导致材料失去生物降解性的问题。而要解决这一问题就需要保证产物具有足够高的交替结构,恰好环氧单体聚合活性明显高于二氧化碳。“因为二氧化碳性质稳定,很难活化。”王献红补充道。

  那么,如何让环氧单体聚合活性与二氧化碳活性持平呢?研究人员采用高选择性催化剂,并需要比较严格的聚合条件。

  第二个需要克服的困难就是,虽然高分子量PPC的熔体强度好,是制备超薄膜的理想材料,但聚合体系黏度随着分子量的提高而增加,进而降低分子量。所以需要选择特殊的搅拌形式和聚合条件。

  第三个困难则是高性能生物降解地膜材料需要特殊的耐老化改性,只是与现在塑料中常见的聚烯烃体系助剂不同,而且成本较高。

  最终,通过长期研发,王献红带领研究团队开发了合适的高热稳定金属催化体系,不但具有较好的选择性和催化效率,还可工业化规模制备重均分子量超过50万的PPC,使PPC耐热性进一步提高,能够满足目前市场对超薄膜的需求;同时,研究人员还在助剂和成型加工设备上进行了系统研发,在确保PPC物化性能的前提下,大幅度降低了改性专用料成本。

  “我们从二氧化碳与环氧丙烷共聚反应的基本原理出发,探索了非均相、均相等多种催化体系下共聚反应从头到尾的全过程,对二氧化碳共聚反应过程中的能量、质量及动量传递进行了详细研究,同时研究了二氧化碳基塑料的结构和物化性能的调控方法,随后在小试、中试过程中对反应条件进行优化,在中试基础上与设计院密切合作,通过合理的流程模拟和放大,完成万吨级工艺包的设计,并实现工业化。”王献红表示。

瞄准农业薄膜市场

  在王献红的记忆中,研究过程中遇到的不如意十之八九。而在数不清的失败中,王献红对于成功的记忆也格外深刻。

  “2004年4月,我们经过3年时间在蒙西建立的吨级中试装置试车成功,让世界第一次看到PPC是可以工业化的,虽然后期由于原料和产品运输等原因,并没有在蒙西建立大型工业化装置,但这套中试装置使我们在漫长的PPC工业化道路上迈出坚实一步。”王献红回忆道。

  在那之后,研究团队又经历了5年的尝试和耐心的等待,直到2009年6月,才在南通华盛新材料公司实现了PPC的连续吹膜,并以PCO2R商标于2011年4月获得美国生物降解塑料研究所(BPI)的论证,成为世界上第一个PPC的薄膜制品,为后续超薄生物降解PPC地膜打下了扎实基础。

  虽然取得了一定成绩,但是王献红仍然觉得只是走出了PPC工业化的一小步。他对现阶段的PPC工作并不满意:一方面成本偏高;另一方面PPC的分子量仍然需要提高,由于PPC是一种不结晶的材料,提高分子量对改善其性能尤为重要,“我们希望能将PPC的重均分子量提高到100万以上”。

  “科研不应该过分追求短期目标,还是要有一个长期的发展计划,同时科研也应该允许在一定阶段可能出现失败和反复。非常感谢中国科学院的科研体制,容忍我们失败。”王献红说。

  现在,PPC终于实现了量产,而且其生产能力达到了5万吨/年。就目前的实验来看,PPC即使做成5~6微米的超薄膜,仍然具有优良的空气和水气阻隔性,因此王献红瞄准的正是农用地膜领域,因为“这是一个消耗量150万吨/年的刚需市场”。

  王献红说,如果PPC进入人们日常生活,最有可能出现在快递包装及胶带等一次性使用的薄膜,只是时间略长,预计普及工作要10~20年。

  “这主要是由于目前单线生产规模仅为2万吨的水平,远远低于聚烯烃的百万吨,成本方面与聚烯烃比仍然有50%以上的差距,缺乏竞争力。要想大规模普及,短期内还需要做好生物降解塑料的宣传工作,同时国家在政策上持续地支持。尽快扩大生产规模,降低成本,开拓合适的应用市场仍然是当务之急。”王献红补充道。