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生物降解塑料PPC(二氧化碳-环氧丙烷共聚物)的介绍

二氧化碳共聚物是以二氧化碳与其他可以共聚的单体,经共聚反应生成聚合物的总称,其合成始于日本井上祥平1969年发表的工作。


基于二氧化碳共聚物所研发的生物降解塑料在“禁塑令”之后被频频提起,这预示着二氧化碳基塑料可能会大有所为,在未来生物降解塑料市场中占有一席之地。


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二氧化碳共聚物通式


目前研究最充分的二氧化碳共聚物是二氧化碳与环氧化物(如环氧乙烷、环氧丙烷等)共聚反应生成的聚合物,有PPC、PEC、PCHC等种类,其中PPC最受关注,今天小编给大家介绍一下PPC材料。


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一、PPC基本介绍


二氧化碳-环氧丙烷共聚物(简称PPC),以CO2为单体原料,在双金属配位PBM型催化剂作用下,被活化到较高的程度时,与环氧丙烷发生共聚反应,生成脂肪族聚碳酸酯。

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利用二氧化碳作为原料来合成PPC,一方面可利用二氧化碳,减轻了塑料对石油资源的依赖;另一方面又可获得一种可全生物降解的材料,如果能够把工业生产排放的二氧化碳制备成可降解的PPC,并广泛使用,将在一定程度上缓解温室效应,并且有利于减少“白色污染”。


二、PPC材料的性能


1.基本性能


密度:1.2~1.3×10³/m³

玻璃化转变温度Tg/℃ :30~41 ℃

热分解温度Td/℃ :180~220 ℃


2.玻璃化转变温度


PPC的玻璃化转变温度较低,故温度对PPC的影响较大,如表格所示。当温度低于25℃时,由于PPC属于玻璃态,拉伸强度超过30MPa,断裂伸长率低于25%。一旦环境温度达到30℃时, PPC由玻璃态转变为高弹态,其强度下降60%,断裂伸长率增加近23倍。因此PPC必须进行增塑和增韧改性,才能作为薄膜材料使用。


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不同温度下PPC的力学性能


3.阻隔性能


PPC的阻隔性能优良,PPC的分子结构存在极性基团,分子间具有较强的相互作用,使其分子链排列紧密,堆彻密度大,自由体积小,这决定了它具有优良的阻隔性能。不过作为降解的阻隔材料PPC,由于其他性能差,一般也不单独使用,可作为中间层。


三、PPC的降解机理


PPC的降解机理包含两种,一种是解拉链降解,另一种是无规则断裂。


1.解拉链降解


解拉链过程被认为是活化能较低的降解途径,在较低温度下(130℃)可发生此反应,聚合物中存在从催化剂转化而来的金属氧化物或盐时也容易加速解拉链反应。

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PPC的解拉链降解反应


2.无规则断裂


PPC的无规断链降解通常发生在较高温度下(170℃以上),Dixon等研究了封端剂对脂肪族聚碳酸酯热稳定性的影响,发现只有解拉链降解受到抑制时才发生无规降解,而无规降解的温度要高于发生解拉链降解的起始温度。



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PPC的无规则链断裂机理


PPC属于疏水材料,细菌难以附着,刚开始的降解速度比较缓慢,当降解开始后,PPC的疏水性下降,降解速度不断加快,故改善PPC的亲水性可加速其生物分解。


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数均分子量为110×10³的PPC在堆肥条件下(60℃,90%的相对湿度)的降解情况


PPC的主链上存在酯键,容易发生水解反应,尤其是在高温下水解更易发生。室温下PPC的水解并不显著,但是在碱的催化下其水解速度明显加快。PPC碱催化水解过程中,第一阶段一无规降解反应为主,随着降解反应的进行,由于端羟基的出现和增多,解拉链降解反应开始占据优势。


四、PPC的改性


1.共混改性


由于耐温性能差,几乎不可以单独使用。


PPC和PLA、PBS都有较好的相容性,三者共混得到的共混物发粘结块的温度高于纯PPC,可以解决储存和运输问题,同时力学性能较纯PPC有很大的改善,扩大了其应用范围,且可以完全生物降解。


PPC玻璃化转变温度低,耐温性很差,比PCL还差;断裂伸长率比PLA高,可以用来改性PLA,热封性能好。


2.改性PPC吹塑成型条件


  • 加工温度:低于180℃,温度高容易降解,小分子充当增塑剂;吹膜类似LLDPE

  • 剪切强度:满足完全熔融条件下采用较短螺杆

  • 冷却装置:PPC材料冷却慢,收卷温度要求尽可能低,可通过调整风环的结构,如采用高压风环或双风环等方式加快冷却速度制备薄膜产品。


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五、PPC的应用


PPC作为一种新型脂肪族聚酯,具有良好的降解性能和阻隔性能,PPC还具有透明和无毒等优点,因此PPC在食品包装、医用材料、胶黏剂以及工程塑料等方面具有较好的应用前景。


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相比于其它降解塑料,目前网上PPC的应用案例图较少,欢迎大家提供应用案例。


六、PPC生产企业


我国主要研究单位有中国科学院长春应用化学研究所、中国科学院广州化学研究所、浙江大学、中山大学等。生产单位有:江苏中科金龙化工股份有限公司、内蒙古自治区蒙西集团公司、河南天冠公司、海南东方中海石化公司等。


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因为文章篇幅有限,下次将给大家详细介绍PPC的生产企业。

此外,对现有通用塑料如LDPE薄膜、PP注塑制品的替代,由于生物降解材料本身的特性,对片材,注塑,薄膜,吹塑,热成型设备有不同的要求,也会有更新换代的机会。为此艾邦建有生物降解塑料微信交流群,金发、海正生物、吉林中粮、蓝山屯河、中石化、九江科院、金晖兆隆、光华伟业,禾尔斯、科碧恩等企业已加入,欢迎加入一起交流探讨!


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