聚碳酸亚丙酯的性能分析和研究应用

张美琼，吴浩，张静，马蕊燕，何军，罗庆华

（中国石油克拉玛依石化有限责任公司炼油化工研究院，新疆克拉玛依834000）

当今社会众多环境问题中最急需解决的2个问题是“温室效应”和“白色污染”，其中CO2［1-3］等温室气体是引起“温室效应”的主要原因，传统石油化工塑料制品是引起“白色污染”的主要原因。聚碳酸亚丙酯（PPC）材料是采用CO2和环氧丙烷合成的完全可生物降解材料，它开辟了将CO2合成可生物降解聚合物的新领域。

1 聚碳酸亚丙酯的合成工艺

PPC是完全可降解的环保型塑料，是20世纪60年代发现并合成研制出来的。它是以环氧丙烷和CO2为单体催化聚合生成的完全生物降解树脂，它的合成反应式见图1。

图1 PPC的合成反应

CO2来源广泛且廉价环保。但是，CO2的化学性质不活泼，即使在高温下也很稳定，从20世纪70年代开始，国内外学者将此作为难点进行攻克，关键是需要开发出高效的催化剂，使得CO2和环氧丙烷在常态下就能发生高聚合活性的合成反应。

研究发现，合成脂肪族聚碳酸酯时，如果以碱金属Cr作为催化剂活性中心，催化活性强，反应速率快，CO2的转化率也较大［5］。

配位化合物是高活性催化剂的重要来源，合成PPC时，如果用Y（P2O4）3-Al（Bu）3-甘油作催化剂，反应活性和效率较低；如果用双金属氰根配合物（DME）作催化剂，反应活性很高，但产物中CO2物质的量比例低；当利用高分子负载双金属配合物PBM作催化剂时，在载体和协同效应作用下，催化效率高，产物中固定的CO2含量高，且成本低廉。

常用作合成PPC的催化剂还有手性铬络合物、手性钴复合物或戊二酸锌等有机金属化合物。大量的研究使催化剂的种类越来越多样化。

2 聚碳酸亚丙酯的结构与性能

2.1 聚碳酸亚丙酯的结构

物质的性能由其化学结构决定。PPC的结构赋予了其材料性能的多样性，其化学结构见图2。

图2 PPC的结构

2.2 聚碳酸亚丙酯的性能优点

PPC具有良好的生物相容性，以及对氧气和水等具有阻隔作用，还具有良好的可生物降解性能。

在温度为37℃、PH为5.6～7.2的复肥中，厚度为10～20μm的PPC薄膜经过0、16、30、69 d的降解实验表明，PPC具有良好的生物降解性能。

此外，检测PPC降解性能的方法还有受控堆肥实验。以纤维素为参考物，在堆积腐肥为实验土质和一定的实验温度下，测量生物降解反应所释放出来的CO2的量来判定生物降解级别。该实验结果也表明，PPC具有良好的生物降解性能。

据研究报道［4］，PPC的生物降解速度除了受到外界如水、肥、土、氧的影响外，还受到PPC自身分子量的作用，分子量越大，分子间缠结度和作用力越大，降解速度越慢。

2.3 聚碳酸亚丙酯的性能缺点

2.3.1 聚碳酸亚丙酯的耐水性能PPC主链上因有酯基的存在，它在有机溶剂中的溶解度较大，较易水解而断裂，所以其耐水性较差。

2.3.2 聚碳酸亚丙酯的力学性能 力学性能包括很多方面，其中最重要的是弯曲性能和拉伸性能。弯曲性能表示垂直于材料方向上的抗变能力，拉伸性能表示平行于材料方向上的抗变能力，相对而言，后者的应用更广泛。

因为PPC在常态环境下为无定形聚合物，所以其分子间作用力很小，力学性能较差。PPC的拉伸性能较差，拉伸强度只有约20 MPa。

2.3.3 聚碳酸亚丙酯的热学性能 如果PPC分子链缠结在一起，其分子链能够绕醚键（C-O-C）内旋转和振动，有很好的柔顺性，使得分子链更容易解开缠结，因此，PPC材料的玻璃化温度很低，约为30～40℃，热分解温度也低，又因PPC为无定形聚合物，使得其制品的高温性质不稳定，极大地限制了PPC的使用温度和应用范围［5］。

PPC分子链上的酯基易热解断链，使其在180℃就开始热分解，分解温度低极大地影响了PPC的热稳定性，导致其加工性能差，加工温度需要精确控制，一般在140～160℃之间。PPC改性研究的热点之一，是提高其热分解温度，拓宽应用范围。大量研究工作中改善PPC材料的热稳定性方法有共混、可控交联和封端等。

3 聚碳酸亚丙酯的生产应用和研究现状

3.1 生产应用

PPC的合成方法成熟，已进入规模生产阶段。而且PPC来自自然，使用后又回归自然的特性，使其逐渐成为国内外生物降解材料中的关注重点。

PPC因其优异性能而应用广泛。在医疗上，PPC被用于制作1次性医疗用品，如药物缓释剂、可吸收缝合线、输液器材、注射器和医用输液袋等制品；在食品业上，PPC被用于制作1次性餐具、包装材料、薄膜制品甚至零下80℃的肉制品保鲜膜和口香糖基料等；在工业上，PPC可用于制作发泡包装材料和材料填充剂等。

3.2 研究现状

与传统的塑料材料相比，PPC具有良好的生物降解性能，但是，它的玻璃化转变温度低，约为30～40℃。塑料材料的玻璃化温度决定了它的使用温度上限。此外，PPC的力学强度不高。较低的玻璃化转变温度和较差的力学性能限制了PPC的应用范围。因此，提高PPC的玻璃化转变温度和力学性能，扩大其应用领域和应用范围，已成为PPC改性研究的重要内容之一［6］。

目前，相对于传统塑料而言，PPC材料的改性研究尚处于初级阶段，仍需开展大量的基础研究工作，为PPC产品的广泛推广和应用指引方向。

4 结论

PPC对氧气和水具有良好的阻隔作用，并具有优异的生物相容性和生物降解性能，使其在医疗、食品和工业上具有广泛应用。不仅可以消耗温室气体CO2，减轻“温室效应”，还可以解决“白色污染”，在节约资源和环境保护方面具有积极意义。

但是PPC的热学性能和力学性能较差，限制了PPC的应用范围。改善PPC的热学性能和力学性能已成为PPC改性研究的重要内容之一。