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(lái)的“白色污染”也越來(lái)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(wèn)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(jiàn)且過(guò)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(kāi)始布局，如今已經(jīng)走過(guò)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(shuō)。
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(kāi)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(guò)低成本改性，讓這種物質(zhì)達(dá)到優(yōu)性質(zhì)。
要解決這一問(wèn)題，研究人員首先要解決的就是ppc中的聚醚含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致材料失去生物降解性的問(wèn)題。而要解決這一問(wèn)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(jiàn)的聚烯烴體系助劑不同，而且成本較高。
終，通過(guò)*研發(fā)，王獻(xiàn)紅帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(guò)50萬(wàn)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*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(guò)程，對(duì)二氧化碳共聚反應(yīng)過(guò)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(guò)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(guò)合理的流程模擬和放大，完成萬(wàn)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(guò)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(guò)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?，并沒(méi)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(jué)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(wàn)以上”。
“科研不應(yīng)該過(guò)分追求短期目標(biāo)，還是要有一個(gè)*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*的科研體制，容忍我們失敗。”王獻(xiàn)紅說(shuō)。
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(wàn)噸/年。就目前的實(shí)驗(yàn)來(lái)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)?ldquo;這是一個(gè)消耗量150萬(wàn)噸/年的剛需市場(chǎng)”。
王獻(xiàn)紅說(shuō)，如果ppc進(jìn)入人們?nèi)粘Ｉ睿锌赡艹霈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(wàn)噸的水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于聚烯烴的百萬(wàn)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)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(kāi)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。