CO2制生物塑料 产业化道路面临巨大挑战
来源:科学时报 作者: 发布时间:2011-03-28
二氧化碳减排，塑料尽快生物降解，这两者都是人们关注的环境热点。如果有一种技术，同时能实现这两个目标，岂不快哉！
用二氧化碳造塑料
其实，将二氧化碳变成可降解塑料早已不是梦想。
从结构上，二氧化碳可视为碳酸的酸酐，且具有不饱和键，因此在合适的催化剂存在下，二氧化碳具有与其他单体合成高分子材料的可能性。
不过，尽管二氧化碳可以和数十种化合物反应制备成多种共聚物，但是由于催化剂的活性较低、选择性还不够高，加上所得聚合物的耐温性能和力学性能难以与现有工业化产品相提并论，绝大部分聚合物仅停留在实验室的好奇水平上。
迄今为止，只有二氧化碳和环氧化物的共聚物，尤其是二氧化碳和环氧丙烷共聚物(PPC)，由于具备良好的生物降解性能、成本相对较低，且大量利用了二氧化碳，聚合物中二氧化碳的重量含量超过40%，因而受到高度重视。
PPC的优点在于：6个月内能完全堆肥降解，而传统的塑料通常不具备生物降解性能；同时室温下，PPC塑料薄膜的阻氧性能优于尼龙和PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)。
自1969年日本科学家井上祥平实现了二氧化碳与环氧化物的共聚至今，人们已经开发了多种催化剂体系来合成PPC。
热力学性能差距是最大发展阻力
但目前，PPC的产业化仍在起步阶段。是什么阻碍了其产业化步伐？
对于工业化产品来说，聚合物的合成成本和生产周期至关重要。一直以来，催化剂成本较高，聚合周期较长、聚合物的物性较低等，限制了二氧化碳共聚物的工业化生产。
不过，仔细分析起来，成本还不是二氧化碳基塑料目前面临的主要问题。以中科院长春应化所现在开发的稀土三元催化剂技术而言，每吨二氧化碳塑料中催化剂的成本不到1500元，综合成本仅比聚乙烯高20%至30%，投资规模比聚烯烃也小很多。
相对其他生物降解塑料而言，PPC中含有40%以上的二氧化碳，是一类成本最低的生物降解材料，有助于解决长期制约生物降解塑料发展的成本瓶颈。由于现有PPC生产装置的规模较小，还没有产生规模化效益，导致其价格与通用塑料相比还处在较高水平。随着工艺包的完善和新型高效高选择性催化剂的大规模应用，大型生产装置的规模化效益将有助于成本的进一步降低。有理由相信，即使与聚烯烃等材料相比，PPC将来在性价比上也会有一定的竞争力。
真正核心的棘手问题是，与聚烯烃相比，二氧化碳塑料热力学综合性能差，且不能单独使用，而仅凭生物降解性能，难以真正打开规模市场。
PPC这类塑料存在力学和耐温性能上的本质缺陷，它属于无定型材料，不能结晶，且玻璃化温度在35℃左右，因此温度较高(40℃)时迅速失去强度，而温度较低(20℃以下)则脆性很大，其使用温度范围很窄，仅在20℃到40℃之间。
这与传统的塑料聚乙烯或聚丙烯有很大差距。因为尽管传统塑料的玻璃化温度低，远低于0℃，但由于优良的结晶性能，其使用温度范围很宽，可从-20℃到80℃。PPC也不同于无定型但玻璃化温度很高的聚苯乙烯或聚氯乙烯，后两者通过增塑和增韧可在宽广的温度范围内(-20℃～100℃)保持力学性能。这种热力学性能的差异是目前PPC难以迅速打开市场的主要原因。
市场规模待开拓
在国外，现在只有美国的Empower materials公司有百公斤级的二氧化碳塑料销售，主要作为陶瓷和电子产品的牺牲型黏结剂，利用二氧化碳塑料的热分解温度较低(低于300℃)的特点，降低电子陶瓷产品的能耗。
此外，从2005年开始，美国Novomer公司、韩国SK集团、德国BASF公司、日本三菱化学等公司都纷纷筹建二氧化碳塑料的工业化生产线，但没有产品销售的报道。
不过，国外很重视相关技术的研发和推广。去年7月，Novomer公司获得美国能源部1840万美元资助，促使其将二氧化碳基塑料生产技术尽快商业化。最近的报道还有今年2月，拜耳集团也启动了二氧化碳合成聚氨酯材料项目。据该公司称，这项名为“梦幻反应”的研究开始于两年前，目前虽然产量很小，但技术上已取得突破。拜耳还计划2015年起成吨生产。
我国在二氧化碳基塑料的研发和产业化上已跻身世界前列。应化所研制的稀土三元催化剂和本体聚合方法的专利技术，已经成功用于工业化生产。2004年，我们成功在内蒙古蒙西高新技术集团建成了世界上第一条年产3000吨二氧化碳基塑料生产线，所产二氧化碳基塑料数均分子量超过10万，重均分子量超过50万，共聚物中二氧化碳重量百分数大于42%，均达世界领先水平。该生产线至今仍在正常运转，从而确立了我国在二氧化碳共聚物研发和生产上的国际引领地位。
2007年开始，通过改进体系和工艺，我们又与中海油合作，在海南建立了年产5000吨PPC的现代化工业生产装置，于2010年12月完成了全流程运转。
国内也有一些公司宣布正在建设万吨级生产线，如河南天冠采用中山大学的技术正在进行相关生产线建设，但目前尚无产品大量销售。
虽然现在二氧化碳基塑料的市场还没有打开，但相信随着塑料综合热力学性能的进一步突破、成本的进一步降低，更大规模的市场指日可待。
应化所与国内外企业和研究机构密切合作，通过近4年的努力，最近在二氧化碳塑料薄膜和医用包装领域取得了重要进展。其中二氧化碳塑料薄膜已经通过了美国生物降解塑料研究所(BPI)的综合论证，在生物降解性能和热力学性能改进方面取得了突破，可以在-15℃至60℃下长期使用，薄膜的抗冲击强度超过120克，抗冲击性能与抗撕裂性能与聚乙烯相当，完全达到了作为普通包装薄膜的使用要求，已经在美国和欧洲发展了万吨级的薄膜市场。
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