塑料是有機合成高分子材料二氧化碳也能變塑料？

這是今年在陜西佳縣鋪膜PPC地膜示范，大約有 1000畝

　　塑料是重要的有機合成高分子材料，應用非常廣泛。但是廢棄塑料帶來的“白色污染”也越來越嚴重。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。

　　近日，中科院長春應用化學研究所研究員王獻紅在接受《中國科學報》記者采訪時表示，他們已經實現了二氧化碳基生物降解塑料的工業化生產。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模化生產塑料了。

　　二氧化碳變塑料之謎

　　這項研究從1997年開始布局，如今已經走過20個年頭。“我們終于確認二氧化碳與環氧丙烷的共聚物是最有工業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，屬于在金屬催化劑活性中心上交替進行環氧丙烷的開環與二氧化碳的插入反應。那么，是什么讓這項研究持續了20年呢？王獻紅表示，困擾科研人員的是如何研發高活性催化劑，合成出高分子量二氧化碳基塑料，并通過低成本改性，讓這種物質達到最優性質。

　　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導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物具有足夠高的交替結構，恰好環氧單體聚合活性明顯高于二氧化碳。“因為二氧化碳性質穩定，很難活化。”王獻紅補充道。

　　那么，如何讓環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，并需要比較嚴格的聚合條件。

　　第二個需要克服的困難就是，雖然高分子量PPC的熔體強度好，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，通過長期研發，王獻紅帶領研究團隊開發了合適的高熱穩定金屬催化體系，不但具有較好的選擇性和催化效率，還可工業化規模制備重均分子量超過50萬的PPC，使PPC耐熱性進一步提高，能夠滿足目前市場對超薄膜的需求；同時，研究人員還在助劑和成型加工設備上進行了系統研發，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氧丙烷共聚反應的基本原理出發，探索了非均相、均相等多種催化體系下共聚反應從頭到尾的全過程，對二氧化碳共聚反應過程中的能量、質量及動量傳遞進行了詳細研究，同時研究了二氧化碳基塑料的結構和物化性能的調控方法，隨后在小試、中試過程中對反應條件進行優化，在中試基礎上與設計院密切合作，通過合理的流程模擬和放大，完成萬噸級工藝包的設計，并實現工業化。”王獻紅表示。

　　瞄準農業薄膜市場

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

　　“2004年4月，我們經過3年時間在蒙西建立的噸級中試裝置試車成功，讓世界第一次看到PPC是可以工業化的，雖然后期由于原料和產品運輸等原因，并沒有在蒙西建立大型工業化裝置，但這套中試裝置使我們在漫長的PPC工業化道路上邁出堅實一步。”王獻紅回憶道。

　　在那之后，研究團隊又經歷了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現了PPC的連續吹膜，并以PCO2R商標于2011年4月獲得美國生物降解塑料研究所（BPI）的論證，成為世界上第一個PPC的薄膜制品，為后續超薄生物降解PPC地膜打下了扎實基礎。

　　雖然取得了一定成績，但是王獻紅仍然覺得只是走出了PPC工業化的一小步。他對現階段的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是一種不結晶的材料，提高分子量對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”。

　　“科研不應該過分追求短期目標，還是要有一個長期的發展計劃，同時科研也應該允許在一定階段可能出現失敗和反復。非常感謝中國科學院的科研體制，容忍我們失敗。”王獻紅說。

　　現在，PPC終于實現了量產，而且其生產能力達到了5萬噸/年。就目前的實驗來看，PPC即使做成5~6微米的超薄膜，仍然具有優良的空氣和水氣阻隔性，因此王獻紅瞄準的正是農用地膜領域，因為“這是一個消耗量150萬噸/年的剛需市場”。

　　王獻紅說，如果PPC進入人們日常生活，最有可能出現在快遞包裝及膠帶等一次性使用的薄膜，只是時間略長，預計普及工作要10~20年。

　　“這主要是由于目前單線生產規模僅為2萬噸的水平，遠遠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，缺乏競爭力。要想大規模普及，短期內還需要做好生物降解塑料的宣傳工作，同時國家在政策上持續地支持。盡快擴大生產規模，降低成本，開拓合適的應用市場仍然是當務之急。”王獻紅補充道。