聚碳酸亞丙酯的性能分析和研究應(yīng)用

張美瓊，吳浩，張靜，馬蕊燕，何軍，羅慶華

（中國(guó)石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司煉油化工研究院，新疆克拉瑪依834000）

當(dāng)今社會(huì)眾多環(huán)境問(wèn)題中最急需解決的2個(gè)問(wèn)題是“溫室效應(yīng)”和“白色污染”，其中CO2［1-3］等溫室氣體是引起“溫室效應(yīng)”的主要原因，傳統(tǒng)石油化工塑料制品是引起“白色污染”的主要原因。聚碳酸亞丙酯（PPC）材料是采用CO2和環(huán)氧丙烷合成的完全可生物降解材料，它開辟了將CO2合成可生物降解聚合物的新領(lǐng)域。

1 聚碳酸亞丙酯的合成工藝

PPC是完全可降解的環(huán)保型塑料，是20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)并合成研制出來(lái)的。它是以環(huán)氧丙烷和CO2為單體催化聚合生成的完全生物降解樹脂，它的合成反應(yīng)式見圖1。

圖1 PPC的合成反應(yīng)

CO2來(lái)源廣泛且廉價(jià)環(huán)保。但是，CO2的化學(xué)性質(zhì)不活潑，即使在高溫下也很穩(wěn)定，從20世紀(jì)70年代開始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將此作為難點(diǎn)進(jìn)行攻克，關(guān)鍵是需要開發(fā)出高效的催化劑，使得CO2和環(huán)氧丙烷在常態(tài)下就能發(fā)生高聚合活性的合成反應(yīng)。

研究發(fā)現(xiàn)，合成脂肪族聚碳酸酯時(shí)，如果以堿金屬Cr作為催化劑活性中心，催化活性強(qiáng)，反應(yīng)速率快，CO2的轉(zhuǎn)化率也較大［5］。

配位化合物是高活性催化劑的重要來(lái)源，合成PPC時(shí)，如果用Y（P2O4）3-Al（Bu）3-甘油作催化劑，反應(yīng)活性和效率較低；如果用雙金屬氰根配合物（DME）作催化劑，反應(yīng)活性很高，但產(chǎn)物中CO2物質(zhì)的量比例低；當(dāng)利用高分子負(fù)載雙金屬配合物PBM作催化劑時(shí)，在載體和協(xié)同效應(yīng)作用下，催化效率高，產(chǎn)物中固定的CO2含量高，且成本低廉。

常用作合成PPC的催化劑還有手性鉻絡(luò)合物、手性鈷復(fù)合物或戊二酸鋅等有機(jī)金屬化合物。大量的研究使催化劑的種類越來(lái)越多樣化。

2 聚碳酸亞丙酯的結(jié)構(gòu)與性能

2.1 聚碳酸亞丙酯的結(jié)構(gòu)

物質(zhì)的性能由其化學(xué)結(jié)構(gòu)決定。PPC的結(jié)構(gòu)賦予了其材料性能的多樣性，其化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 PPC的結(jié)構(gòu)

2.2 聚碳酸亞丙酯的性能優(yōu)點(diǎn)

PPC具有良好的生物相容性，以及對(duì)氧氣和水等具有阻隔作用，還具有良好的可生物降解性能。

在溫度為37℃、PH為5.6～7.2的復(fù)肥中，厚度為10～20μm的PPC薄膜經(jīng)過(guò)0、16、30、69 d的降解實(shí)驗(yàn)表明，PPC具有良好的生物降解性能。

此外，檢測(cè)PPC降解性能的方法還有受控堆肥實(shí)驗(yàn)。以纖維素為參考物，在堆積腐肥為實(shí)驗(yàn)土質(zhì)和一定的實(shí)驗(yàn)溫度下，測(cè)量生物降解反應(yīng)所釋放出來(lái)的CO2的量來(lái)判定生物降解級(jí)別。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，PPC具有良好的生物降解性能。

據(jù)研究報(bào)道［4］，PPC的生物降解速度除了受到外界如水、肥、土、氧的影響外，還受到PPC自身分子量的作用，分子量越大，分子間纏結(jié)度和作用力越大，降解速度越慢。

2.3 聚碳酸亞丙酯的性能缺點(diǎn)

2.3.1 聚碳酸亞丙酯的耐水性能PPC主鏈上因有酯基的存在，它在有機(jī)溶劑中的溶解度較大，較易水解而斷裂，所以其耐水性較差。

2.3.2 聚碳酸亞丙酯的力學(xué)性能 力學(xué)性能包括很多方面，其中最重要的是彎曲性能和拉伸性能。彎曲性能表示垂直于材料方向上的抗變能力，拉伸性能表示平行于材料方向上的抗變能力，相對(duì)而言，后者的應(yīng)用更廣泛。

因?yàn)镻PC在常態(tài)環(huán)境下為無(wú)定形聚合物，所以其分子間作用力很小，力學(xué)性能較差。PPC的拉伸性能較差，拉伸強(qiáng)度只有約20 MPa。

2.3.3 聚碳酸亞丙酯的熱學(xué)性能 如果PPC分子鏈纏結(jié)在一起，其分子鏈能夠繞醚鍵（C-O-C）內(nèi)旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)，有很好的柔順性，使得分子鏈更容易解開纏結(jié)，因此，PPC材料的玻璃化溫度很低，約為30～40℃，熱分解溫度也低，又因PPC為無(wú)定形聚合物，使得其制品的高溫性質(zhì)不穩(wěn)定，極大地限制了PPC的使用溫度和應(yīng)用范圍［5］。

PPC分子鏈上的酯基易熱解斷鏈，使其在180℃就開始熱分解，分解溫度低極大地影響了PPC的熱穩(wěn)定性，導(dǎo)致其加工性能差，加工溫度需要精確控制，一般在140～160℃之間。PPC改性研究的熱點(diǎn)之一，是提高其熱分解溫度，拓寬應(yīng)用范圍。大量研究工作中改善PPC材料的熱穩(wěn)定性方法有共混、可控交聯(lián)和封端等。

3 聚碳酸亞丙酯的生產(chǎn)應(yīng)用和研究現(xiàn)狀

3.1 生產(chǎn)應(yīng)用

PPC的合成方法成熟，已進(jìn)入規(guī)模生產(chǎn)階段。而且PPC來(lái)自自然，使用后又回歸自然的特性，使其逐漸成為國(guó)內(nèi)外生物降解材料中的關(guān)注重點(diǎn)。

PPC因其優(yōu)異性能而應(yīng)用廣泛。在醫(yī)療上，PPC被用于制作1次性醫(yī)療用品，如藥物緩釋劑、可吸收縫合線、輸液器材、注射器和醫(yī)用輸液袋等制品；在食品業(yè)上，PPC被用于制作1次性餐具、包裝材料、薄膜制品甚至零下80℃的肉制品保鮮膜和口香糖基料等；在工業(yè)上，PPC可用于制作發(fā)泡包裝材料和材料填充劑等。

3.2 研究現(xiàn)狀

與傳統(tǒng)的塑料材料相比，PPC具有良好的生物降解性能，但是，它的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低，約為30～40℃。塑料材料的玻璃化溫度決定了它的使用溫度上限。此外，PPC的力學(xué)強(qiáng)度不高。較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和較差的力學(xué)性能限制了PPC的應(yīng)用范圍。因此，提高PPC的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和力學(xué)性能，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用范圍，已成為PPC改性研究的重要內(nèi)容之一［6］。

目前，相對(duì)于傳統(tǒng)塑料而言，PPC材料的改性研究尚處于初級(jí)階段，仍需開展大量的基礎(chǔ)研究工作，為PPC產(chǎn)品的廣泛推廣和應(yīng)用指引方向。

4 結(jié)論

PPC對(duì)氧氣和水具有良好的阻隔作用，并具有優(yōu)異的生物相容性和生物降解性能，使其在醫(yī)療、食品和工業(yè)上具有廣泛應(yīng)用。不僅可以消耗溫室氣體CO2，減輕“溫室效應(yīng)”，還可以解決“白色污染”，在節(jié)約資源和環(huán)境保護(hù)方面具有積極意義。

但是PPC的熱學(xué)性能和力學(xué)性能較差，限制了PPC的應(yīng)用范圍。改善PPC的熱學(xué)性能和力學(xué)性能已成為PPC改性研究的重要內(nèi)容之一。