塑料是重要的有機(jī)合成高分子材料，應(yīng)用非常廣泛。

但是廢棄塑料帶來的“白色污染”也越來越嚴(yán)重。尋找其他材料制造塑料，并解決塑料難以降解的問題，成為很多科研人員潛心研究的課題之一。

超市商品的塑料包裝

近日，中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所研究員王獻(xiàn)紅在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)表示，他們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了二氧化碳基生物降解塑料的工業(yè)化生產(chǎn)。這意味著我們可以利用地球上常見且過剩的二氧化碳，而非完全采用石油制作并規(guī)模化生產(chǎn)塑料了。

二氧化碳變塑料之謎

這項(xiàng)研究從1997年開始布局，如今已經(jīng)走過20個(gè)年頭。“我們終于確認(rèn)二氧化碳與環(huán)氧丙烷的共聚物是最有工業(yè)化前景的二氧化碳共聚物，因此將其命名為二氧化碳基塑料。”王獻(xiàn)紅說。

二氧化碳變身塑料的制備原理并不難，即二氧化碳基生物降解塑料(PPC)的合成本質(zhì)，屬于在金屬催化劑活性中心上交替進(jìn)行環(huán)氧丙烷的開環(huán)與二氧化碳的插入反應(yīng)。那么，是什么讓這項(xiàng)研究持續(xù)了20年呢?王獻(xiàn)紅表示，困擾科研人員的是如何研發(fā)高活性催化劑，合成出高分子量二氧化碳基塑料，并通過低成本改性，讓這種物質(zhì)達(dá)到最優(yōu)性質(zhì)。

要解決這一問題，研究人員首先要解決的就是PPC中的聚醚含量過高會(huì)導(dǎo)致材料失去生物降解性的問題。而要解決這一問題就需要保證產(chǎn)物具有足夠高的交替結(jié)構(gòu)，恰好環(huán)氧單體聚合活性明顯高于二氧化碳。“因?yàn)槎趸夹再|(zhì)穩(wěn)定，很難活化。”王獻(xiàn)紅補(bǔ)充道。

那么，如何讓環(huán)氧單體聚合活性與二氧化碳活性持平呢?研究人員采用高選擇性催化劑，并需要比較嚴(yán)格的聚合條件。

第二個(gè)需要克服的困難就是，雖然高分子量PPC的熔體強(qiáng)度好，是制備超薄膜的理想材料，但聚合體系黏度隨著分子量的提高而增加，進(jìn)而降低分子量。所以需要選擇特殊的攪拌形式和聚合條件。

第三個(gè)困難則是高性能生物降解地膜材料需要特殊的耐老化改性，只是與現(xiàn)在塑料中常見的聚烯烴體系助劑不同，而且成本較高。

最終，通過長(zhǎng)期研發(fā)，王獻(xiàn)紅帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了合適的高熱穩(wěn)定金屬催化體系，不但具有較好的選擇性和催化效率，還可工業(yè)化規(guī)模制備重均分子量超過50萬的PPC，使PPC耐熱性進(jìn)一步提高，能夠滿足目前市場(chǎng)對(duì)超薄膜的需求;同時(shí)，研究人員還在助劑和成型加工設(shè)備上進(jìn)行了系統(tǒng)研發(fā)，在確保PPC物化性能的前提下，大幅度降低了改性專用料成本。

“我們從二氧化碳與環(huán)氧丙烷共聚反應(yīng)的基本原理出發(fā)，探索了非均相、均相等多種催化體系下共聚反應(yīng)從頭到尾的全過程，對(duì)二氧化碳共聚反應(yīng)過程中的能量、質(zhì)量及動(dòng)量傳遞進(jìn)行了詳細(xì)研究，同時(shí)研究了二氧化碳基塑料的結(jié)構(gòu)和物化性能的調(diào)控方法，隨后在小試、中試過程中對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化，在中試基礎(chǔ)上與設(shè)計(jì)院密切合作，通過合理的流程模擬和放大，完成萬噸級(jí)工藝包的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。”王獻(xiàn)紅表示。

瞄準(zhǔn)農(nóng)業(yè)薄膜市場(chǎng)

在王獻(xiàn)紅的記憶中，研究過程中遇到的不如意十之八九。而在數(shù)不清的失敗中，王獻(xiàn)紅對(duì)于成功的記憶也格外深刻。

“2004年4月，我們經(jīng)過3年時(shí)間在蒙西建立的噸級(jí)中試裝置試車成功，讓世界第一次看到PPC是可以工業(yè)化的，雖然后期由于原料和產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)仍颍]有在蒙西建立大型工業(yè)化裝置，但這套中試裝置使我們?cè)诼L(zhǎng)的PPC工業(yè)化道路上邁出堅(jiān)實(shí)一步。”王獻(xiàn)紅回憶道。

在那之后，研究團(tuán)隊(duì)又經(jīng)歷了5年的嘗試和耐心的等待，直到2009年6月，才在南通華盛新材料公司實(shí)現(xiàn)了PPC的連續(xù)吹膜，并以PCO2R商標(biāo)于2011年4月獲得美國(guó)生物降解塑料研究所(BPI)的論證，成為世界上第一個(gè)PPC的薄膜制品，為后續(xù)超薄生物降解PPC地膜打下了扎實(shí)基礎(chǔ)。

雖然取得了一定成績(jī)，但是王獻(xiàn)紅仍然覺得只是走出了PPC工業(yè)化的一小步。他對(duì)現(xiàn)階段的PPC工作并不滿意：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是一種不結(jié)晶的材料，提高分子量對(duì)改善其性能尤為重要，“我們希望能將PPC的重均分子量提高到100萬以上”。

“科研不應(yīng)該過分追求短期目標(biāo)，還是要有一個(gè)長(zhǎng)期的發(fā)展計(jì)劃，同時(shí)科研也應(yīng)該允許在一定階段可能出現(xiàn)失敗和反復(fù)。非常感謝中國(guó)科學(xué)院的科研體制，容忍我們失敗。”王獻(xiàn)紅說。

現(xiàn)在，PPC終于實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，而且其生產(chǎn)能力達(dá)到了5萬噸/年。就目前的實(shí)驗(yàn)來看，PPC即使做成5~6微米的超薄膜，仍然具有優(yōu)良的空氣和水氣阻隔性，因此王獻(xiàn)紅瞄準(zhǔn)的正是農(nóng)用地膜領(lǐng)域，因?yàn)椤斑@是一個(gè)消耗量150萬噸/年的剛需市場(chǎng)”。

王獻(xiàn)紅說，如果PPC進(jìn)入人們?nèi)粘Ｉ睿钣锌赡艹霈F(xiàn)在快遞包裝及膠帶等一次性使用的薄膜，只是時(shí)間略長(zhǎng)，預(yù)計(jì)普及工作要10~20年。

“這主要是由于目前單線生產(chǎn)規(guī)模僅為2萬噸的水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于聚烯烴的百萬噸，成本方面與聚烯烴比仍然有50%以上的差距，缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。要想大規(guī)模普及，短期內(nèi)還需要做好生物降解塑料的宣傳工作，同時(shí)國(guó)家在政策上持續(xù)地支持。盡快擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，降低成本，開拓合適的應(yīng)用市場(chǎng)仍然是當(dāng)務(wù)之急。”王獻(xiàn)紅補(bǔ)充道。

來源：中國(guó)科學(xué)報(bào)