可降解的生物基聚酯彈性體

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  橡膠在我們的日常生活中發揮著非常重要的作用,然而目前所有的合成橡膠依賴于石油資源,且不可降解。生物基聚酯彈性體是由生物資源經過發酵、合成、加工得到的具有良好性能的一系列材料,符合環保、低碳、可持續發展的需求。

  合成橡膠依賴進口

  可持續發展是熱點

  橡膠材料具有柔軟、大變形、可回彈的獨特性,是高分子材料的重要方向之一,廣泛應用于汽車輪胎、飛機輪胎、輸送帶、耐油管、密封圈、手套、醫用材料等領域,是其他高分子材料不能取代的。全球每年消耗橡膠產品達到3000萬噸,橡膠工業總產值超過萬億元。

  目前的合成橡膠品種包括乙丙橡膠、丁苯橡膠、丁腈橡膠、順丁橡膠、丙烯酸酯橡膠、硅橡膠等,均是由國外原創的,我國在橡膠領域尚沒有完全自主知識產權,嚴重限制了我國合成橡膠的發展。我國合成橡膠每年的消耗量在800萬噸左右,而產量不足,仍然嚴重依賴國外進口。

  另外,合成橡膠材料均是通過化石資源得到的。隨著化石資源日益匱乏,如何實現橡膠材料的可持續性發展成為橡膠工業的研究熱點。更為重要的是,傳統合成橡膠材料是不可降解的。我國每年產生廢舊輪胎達到超過3億條,重量超過1000萬噸,且輪胎每年產生的磨屑就可達到200萬噸,對環境造成了嚴重的污染。

  研發生物基聚酯彈性體

  開展示范性生產線建設

  為了實現橡膠行業的可持續性發展,開發我國原創的橡膠品種,北京化工大學彈性體中心于2008年提出利用不同的生物基二元酸和二元醇為單體,采用熔融縮聚方法,獲得了一系列的生物基聚酯彈性體。該生物基聚酯彈性體為我國原創的合成橡膠品種,有望實現我國合成橡膠品種零的突破;完全不依賴石油資源,其原料均是通過生物發酵得到的,符合國家環保、可持續發展的要求;可降解,真正實現從自然環境中來,到自然環境中去的全生命周期循環過程,不對環境造成任何污染。

  北京化工大學彈性體中心通過十余年的不懈努力,合成了數十種生物基聚酯彈性體,并對其產業化和應用進行了開發,于2013年建成一條百噸級的生物基聚酯彈性體的生產線。目前該團隊與彤程新材料集團合作,摸清了聚酯彈性體的各項生產工藝參數,正在開展千噸級生物基聚酯彈性體示范生產線的建設。

  可實現多種橡膠替代

  可降解橡膠有望量產

  生物基聚酯彈性體具有很強的極性,因此具有優異的耐油性,可取代丁腈橡膠和丙烯酸酯橡膠,應用于耐油密封圈領域。

  據悉,丁腈橡膠的價格在2萬元每噸,丙烯酸酯橡膠價格更是接近10萬元,且需要從國外進口。生物基聚酯橡膠材料在耐油領域取代這兩種橡膠材料從價格上是可行的。

  聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯等塑料韌性較差,需要引入增韌劑進行增韌。傳統的增韌劑效果不佳,生物基聚酯彈性體與這些塑料相容性好,所以是優異的增韌劑。

  我國每年聚氯乙烯(PVC)的產量超過2000萬噸,其增塑劑的用量也超過幾百萬噸?,F有的PVC增塑劑不夠環保,且被國外所壟斷,急需發展我國自主的PVC增塑劑。張立群教授團隊合成的生物基聚酯,無毒、耐溶出、增塑效果好,是一種優異的PVC用增塑劑。該生物基聚酯彈性體還具有可降解性能,是目前唯一能降解的合成橡膠材料。這種材料通過改變結構和填料種類,實現了對其降解速度的有效控制,有望制備得到生物基可控降解輪胎,從而從根源消除輪胎及輪胎磨屑對環境的污染。

  另外,利用聚酯彈性體的可降解性能以及無毒性,研究團隊設計、合成了口香糖膠基,并開發一種可在人體內和土壤中降解的口香糖,從而避免口香糖吐到地上難以清理的情況。該聚酯彈性體得到了國家自然科學基金重點基金“生物基工程彈性體的設計、制備及應用基礎研究”、國家重點研發計劃“新型生物基橡膠材料制備技術及應用示范”以及世界輪胎巨頭美國固特異公司的支持。預期在不久的將來,生物基聚酯彈性體將會實現連續化生產,實現在橡膠領域多方面的應用,成為我國特色的生物基可降解特種橡膠材料。

  (康海瀾、胡瀟然、唐帥、高宇、何勇對本文亦有貢獻。)

關鍵字:橡膠
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