聚碳酸亞丙酯的性能分析和研究應用

張美瓊，吳浩，張靜，馬蕊燕，何軍，羅慶華

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

當今社會眾多環境問題中最急需解決的2個問題是“溫室效應”和“白色污染”，其中CO2［1-3］等溫室氣體是引起“溫室效應”的主要原因，傳統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域。

1 聚碳酸亞丙酯的合成工藝

PPC是完全可降解的環保型塑料，是20世紀60年代發現并合成研制出來的。它是以環氧丙烷和CO2為單體催化聚合生成的完全生物降解樹脂，它的合成反應式見圖1。

圖1 PPC的合成反應

CO2來源廣泛且廉價環保。但是，CO2的化學性質不活潑，即使在高溫下也很穩定，從20世紀70年代開始，國內外學者將此作為難點進行攻克，關鍵是需要開發出高效的催化劑，使得CO2和環氧丙烷在常態下就能發生高聚合活性的合成反應。

研究發現，合成脂肪族聚碳酸酯時，如果以堿金屬Cr作為催化劑活性中心，催化活性強，反應速率快，CO2的轉化率也較大［5］。

配位化合物是高活性催化劑的重要來源，合成PPC時，如果用Y（P2O4）3-Al（Bu）3-甘油作催化劑，反應活性和效率較低；如果用雙金屬氰根配合物（DME）作催化劑，反應活性很高，但產物中CO2物質的量比例低；當利用高分子負載雙金屬配合物PBM作催化劑時，在載體和協同效應作用下，催化效率高，產物中固定的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合物、手性鈷復合物或戊二酸鋅等有機金屬化合物。大量的研究使催化劑的種類越來越多樣化。

2 聚碳酸亞丙酯的結構與性能

2.1 聚碳酸亞丙酯的結構

物質的性能由其化學結構決定。PPC的結構賦予了其材料性能的多樣性，其化學結構見圖2。

圖2 PPC的結構

2.2 聚碳酸亞丙酯的性能優點

PPC具有良好的生物相容性，以及對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的復肥中，厚度為10～20μm的PPC薄膜經過0、16、30、69 d的降解實驗表明，PPC具有良好的生物降解性能。

此外，檢測PPC降解性能的方法還有受控堆肥實驗。以纖維素為參考物，在堆積腐肥為實驗土質和一定的實驗溫度下，測量生物降解反應所釋放出來的CO2的量來判定生物降解級別。該實驗結果也表明，PPC具有良好的生物降解性能。

據研究報道［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

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性能 力學性能包括很多方面，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，相對而言，后者的應用更廣泛。

因為PPC在常態環境下為無定形聚合物，所以其分子間作用力很小，力學性能較差。PPC的拉伸性能較差，拉伸強度只有約20 MPa。

2.3.3 聚碳酸亞丙酯的熱學性能 如果PPC分子鏈纏結在一起，其分子鏈能夠繞醚鍵（C-O-C）內旋轉和振動，有很好的柔順性，使得分子鏈更容易解開纏結，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為無定形聚合物，使得其制品的高溫性質不穩定，極大地限制了PPC的使用溫度和應用范圍［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的熱穩定性，導致其加工性能差，加工溫度需要精確控制，一般在140～160℃之間。PPC改性研究的熱點之一，是提高其熱分解溫度，拓寬應用范圍。大量研究工作中改善PPC材料的熱穩定性方法有共混、可控交聯和封端等。

3 聚碳酸亞丙酯的生產應用和研究現狀

3.1 生產應用

PPC的合成方法成熟，已進入規模生產階段。而且PPC來自自然，使用后又回歸自然的特性，使其逐漸成為國內外生物降解材料中的關注重點。

PPC因其優異性能而應用廣泛。在醫療上，PPC被用于制作1次性醫療用品，如藥物緩釋劑、可吸收縫合線、輸液器材、注射器和醫用輸液袋等制品；在食品業上，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；在工業上，PPC可用于制作發泡包裝材料和材料填充劑等。

3.2 研究現狀

與傳統的塑料材料相比，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的力學強度不高。較低的玻璃化轉變溫度和較差的力學性能限制了PPC的應用范圍。因此，提高PPC的玻璃化轉變溫度和力學性能，擴大其應用領域和應用范圍，已成為PPC改性研究的重要內容之一［6］。

目前，相對于傳統塑料而言，PPC材料的改性研究尚處于初級階段，仍需開展大量的基礎研究工作，為PPC產品的廣泛推廣和應用指引方向。

4 結論

PPC對氧氣和水具有良好的阻隔作用，并具有優異的生物相容性和生物降解性能，使其在醫療、食品和工業上具有廣泛應用。不僅可以消耗溫室氣體CO2，減輕“溫室效應”，還可以解決“白色污染”，在節約資源和環境保護方面具有積極意義。

但是PPC的熱學性能和力學性能較差，限制了PPC的應用范圍。改善PPC的熱學性能和力學性能已成為PPC改性研究的重要內容之一。