聚丁二酸丁二醇酯（PBS）制備技術(shù)及應(yīng)用前景分析

摘要：PBS（聚丁二酸丁二醇酯）是一種應(yīng)用范圍很廣的塑料，具有很好的生物降解性，由于石油等化石資源的日益枯竭，新型聚丁二酸丁二醇酯（PBS）替代以石油基產(chǎn)品為原料制成的PBS，是PBS塑料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新方向。文章對PBS的性能、應(yīng)用及現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，介紹了PBS的制備方法和技術(shù)進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：聚丁二酸丁二醇酯（PBS）；制備技術(shù)；應(yīng)用前景；生物降解性；石油基產(chǎn)品 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TQ323 文章編號：1009-2374（2015）15-0048-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.15.024

1 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）綜述

1.1 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）定義

聚丁二酸丁二醇酯（PBS）作為一種新型塑料材料，結(jié)構(gòu)是丁二酸與丁二醇經(jīng)常復(fù)分解反應(yīng)后形成的酯，分子式為：HO-[CO-（CH2）2-CO-O-（CH2）4-O]n-H，

具有生物降解性優(yōu)異、用途廣泛等特點，常用于塑料包裝、食用餐具、農(nóng)用薄膜、醫(yī)用高分子材料等領(lǐng)域。與其他降解型塑料相比，PBS的成本低、性能良好，能非常好地與其他不同材料進(jìn)行有效聚合，因此其工業(yè)應(yīng)用前景非常廣闊，具有很好的市場與經(jīng)濟(jì)價值。

研究表明，聚丁二酸丁二醇酯（PBS）以二元酸以及二元醇等化學(xué)物質(zhì)為主要原料，通過一系列化學(xué)反應(yīng)而合成。經(jīng)過多年的科學(xué)實驗與工業(yè)聲場，PBS的加工性能已經(jīng)比較成熟，可在絕大多數(shù)塑料設(shè)備上開展任何形式、任何類型加工。此外，PBS也可以與碳酸鈣、淀粉等廉價填料共混，以此來以降低生產(chǎn)質(zhì)保成本。

1.2 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的性能

研究表明，聚丁二酸丁二醇酯（PBS）塑料除了具有普通塑料的性能外，同時還具有透明性好、光澤度強(qiáng)以及印刷性能好等多種特點，是目前被公認(rèn)為最有前景的綠色環(huán)保型高分子材料。具體來說，聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的性能主要表現(xiàn)在以下四個方面：

1.2.1 良好的加工性。工業(yè)研究與應(yīng)用顯示，聚丁二酸丁二醇酯（PBS）具有良好的加工性能，加工溫度比較高，一般在150℃～200℃之間。可在多種常用的塑料加工設(shè)備上開展注塑、擠出以及吹塑等各類成型加工，是學(xué)術(shù)界與工業(yè)加工行業(yè)公認(rèn)的加工性能最好的材料。此外，該型材料還可以與碳酸鈣、淀粉等其他物質(zhì)進(jìn)行混合，降低生產(chǎn)、使用成本。

1.2.2 良好的耐熱性。聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的耐熱性也非常優(yōu)異，多年的實驗與工業(yè)研究表明，聚丁二酸丁二醇酯在各類塑料中的耐熱性能最出色，能非常好地滿足工業(yè)對塑料用品耐熱性的需求，從而廣泛應(yīng)用于冷熱飲包裝和餐盒等塑料材料。

1.2.3 低降解性與化學(xué)性能穩(wěn)定性。降解是與形成相反的化學(xué)反應(yīng)，是指大分子化合物經(jīng)化學(xué)反應(yīng)回歸到小分子化學(xué)的過程。化學(xué)穩(wěn)定性是指材料對來自外在因素腐蝕的抵抗能力。聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的化學(xué)穩(wěn)定性非常好，只有在化肥、土壤、水以及其他外在因素的環(huán)境下，緩慢的被微生物和動植物體內(nèi)的催化酶分解，最終分解成二氧化碳和水。

1.2.4 良好的力學(xué)性能。與其他多種塑料相比，PBS具有更為優(yōu)異的力學(xué)性，具有各類通用樹脂的力學(xué)性能。

1.3 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的應(yīng)用

由于聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的上述性能，使它具有非常廣的應(yīng)用范圍。

1.3.1 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）廣泛應(yīng)用于包裝領(lǐng)域，主要有包裝垃圾袋、食品袋、各種冷熱飲瓶子、農(nóng)用薄膜、種植器具與植被網(wǎng)等。

1.3.2 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）廣泛用于各類日化用品。一般來說，日化用品對塑料制品的機(jī)械強(qiáng)度的要求比較嚴(yán)格，所以需要在PBS中添加滑石粉、碳酸鈣等，滿足日化用品的使用需求。

1.3.3 由于聚丁二酸丁二醇酯（PBS）具有生物相容性與可降解性等特點，從而廣泛應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)，如用于人造軟骨、手術(shù)縫合線、手術(shù)支架等醫(yī)用設(shè)備。

2 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）應(yīng)用的合成工藝

化學(xué)合成法在聚丁二酸丁二醇酯（PBS）合成中的應(yīng)用最廣泛，主要有溶液縮聚法、熔融縮聚法、擴(kuò)鏈法、酯交換聚合法等。此外，聚丁二酸丁二醇酯（PBS）也可采用生物發(fā)酵法進(jìn)行合成，但其成本較高，應(yīng)用范圍不廣。

2.1 溶液聚合法

溶液聚合法的具體原理如下：在一定溫度與催化劑條件下，使丁二酸與丁二醇發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，完成二者的酯化反應(yīng)，在反應(yīng)過程中使用不同的溶劑，減少反應(yīng)生成的水分，然后在高溫條件下發(fā)生縮聚反應(yīng)。

一般來說，如果不能及時分離溶液聚合反映產(chǎn)生的水分，將會給PBS的聚合反應(yīng)帶來不利影響。因此，有學(xué)者對溶液縮聚法進(jìn)行了提升與改進(jìn)，以十氫萘為溶劑，以二元酸和二元醇為原料，在合適的溫度與催化加條件下發(fā)生聚合反應(yīng)，并用油水分離器取代傳統(tǒng)水分離方法。該種方法適用于工業(yè)對塑料的大規(guī)模生產(chǎn)。

2.2 熔融縮聚法

熔融縮聚法將合成PBS的過程分成酯化階段和縮聚階段兩部分。具體步驟為：在較低的溫度條件下，以丁二酸和丁二醇為化學(xué)反應(yīng)原料，進(jìn)行熔融酯化反應(yīng)，然后在真空、高溫條件下完成縮聚反應(yīng)。

該方法對催化劑的要求比較高，催化劑能直接影響PBS分子量的大小。學(xué)者在35℃與31.99kPa的條件下，以三氟甲烷磺酸鈧和三氟甲基磺酰亞胺為催化劑完成聚合反應(yīng)，取得了較好的效果。

但是，通過傳統(tǒng)合成工藝聚合得到的PBS分子量相對較低，限制了PBS的合成效果與應(yīng)用范圍。因此，學(xué)者又進(jìn)一步創(chuàng)新和改進(jìn)了PBS的合成工藝，將縮聚反應(yīng)分為預(yù)縮聚和真空縮聚兩步，從而進(jìn)一步提高了PBS聚合的效果與效率。

2.3 擴(kuò)鏈法

擴(kuò)鏈劑是一種分子量相對較低的雙官能團(tuán)化合物，易同高分子聚合物鏈的末端基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可增加聚合物的相對分子量，進(jìn)一步加快聚合反應(yīng)。endprint

使用擴(kuò)鏈劑后的擴(kuò)鏈法可使聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的力學(xué)性能大幅提高，研究結(jié)果顯示使用擴(kuò)鏈法后的PBS的力學(xué)性能有所善、特性黏度有所增強(qiáng)、生物降解性也有所改善。

此外，使用擴(kuò)鏈劑后的擴(kuò)鏈法還可提高PBS的分子量，研究表明：采用該法后的PBS的分子量成倍增加，熱穩(wěn)定性也有所提高，但該擴(kuò)鏈反應(yīng)法所需的時間較長，反應(yīng)條件也較為苛刻，因而使用范圍較小。

2.4 酯交換法

在高溫、高真空以及催化劑的作用下，使等量的二元醇和二元酸二甲酯進(jìn)行酯交換，完成聚合反映，從而得到聚丁二酸丁二醇酯（PBS）。由于酯交換法中未使用溶劑，而且參加反應(yīng)的二元醇可通過水溶劑或加熱等簡單操作除去，最終得到的PBS雜質(zhì)含量較低。

3 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的改進(jìn)

為進(jìn)一步提高聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的性能，許多學(xué)者開展了大量的針對PBS的改進(jìn)性分析與研究，在不斷提高PBS各類常用性能與特點的同時，也有效地提高了生物相容性和生物降解性特性，具體改進(jìn)方法分為共聚改進(jìn)方法和共混改進(jìn)方法兩種。

在實施共聚改進(jìn)方法時，把芳香族類聚酯添加到PBS制備之中，能明顯提高其既有的物理性能與力學(xué)性能。研究表明，將芳香基團(tuán)連接在PBS側(cè)鏈上，能使PBS的斷裂明顯伸長、撕裂度明顯降低、生物降解性明顯加強(qiáng)。把脂肪族組分添加到PBS的制備過程中，可有效改善PBS的脆性，提高其生物降解性等。

4 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

PBS是降解能力非常強(qiáng)的化學(xué)聚合物，在自然條件下，可完成分解，且其分解產(chǎn)物是對自然環(huán)境沒任何污染與破壞的水和二氧化碳。因此，大力發(fā)展與推廣PBS及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)，是有效降低塑料產(chǎn)量、環(huán)減環(huán)境污染的重要途徑之一。

4.1 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的應(yīng)用

以PBS作為主要的原料，可制造出化學(xué)性能與物理性能都非常優(yōu)良的復(fù)合纖維。此外，將帶有金屬離子的陶瓷材料與PBS纖維混合，能制造出抗菌性能非常好的纖維材料。研究還表明PBS在人體內(nèi)部的適應(yīng)性非常好，在人體內(nèi)可以被完全分解和吸收，且?guī)缀醪划a(chǎn)生副作用。因此，PBS也廣泛應(yīng)用于醫(yī)療手術(shù)縫合線等。

4.2 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

近年來，歐美發(fā)達(dá)國家越來越重視PBS可降解塑料的研究與應(yīng)用，投入大量的人力與物力，加大研發(fā)力度，從而明顯加快了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的步伐。研究表明，生物降解性塑料的需求呈幾何指數(shù)增長率，預(yù)計歐洲2015年消費量將超過100萬噸。

20世紀(jì)末，日本的高科技公司以異氰酸酯為擴(kuò)鏈劑，對傳統(tǒng)縮聚合成得到、分子量相對較低的PBS開展改進(jìn)，成功實現(xiàn)了相對分子量為200000的PBS聚合，極大地擴(kuò)展了PBS的應(yīng)用范圍、加快了市場化應(yīng)用步伐。

在國內(nèi)，中科院下屬的研究所自主研發(fā)了特種納米微孔載體材料復(fù)合高效催化體系，實現(xiàn)了對相對分子質(zhì)量超過200000的PBS的聚合合成，并與相關(guān)公司簽署協(xié)議，合資組建分子材料公司，建設(shè)世界最大規(guī)模的PBS生產(chǎn)線，成功實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，這標(biāo)志著中國生物降解塑料產(chǎn)業(yè)開始大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的新紀(jì)元。此外，由于PBS具有優(yōu)異的性能，中科院在常用塑料加工設(shè)備上對PBS及其相關(guān)產(chǎn)品開展再加工與再成型研究，從而制備出加工性能更加優(yōu)異、工業(yè)用途更加廣泛的PBS材料，且該材料對設(shè)備和工藝的要求進(jìn)一步降低。

PBS生物降解性聚酯作為塑料家族的品種之一，因其良好的性能特征與低污染性，正以很快的速度實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展。目前已經(jīng)進(jìn)入實用推廣階段，隨著社會對環(huán)境污染的日益關(guān)注以及對降解塑料的不斷需求量，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模必定將進(jìn)一步擴(kuò)大。與此同時，發(fā)酵法生產(chǎn)丁二酸已實現(xiàn)商業(yè)化發(fā)展，技術(shù)也已成熟，為大規(guī)模生產(chǎn)與發(fā)展PBS提供來源保障，使PBS變成真正的綠色塑料，且其成本也將進(jìn)一步降低，產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域還會不斷擴(kuò)大。

5 結(jié)語

目前，雖然PBS作為一類新型的生物降解材料，且國內(nèi)外學(xué)術(shù)界與工業(yè)領(lǐng)域?qū)ζ涞难芯颗c應(yīng)用逐漸增加，但其在很多領(lǐng)域的研究存在局限與不足。不同學(xué)者的觀點仍存在一定的分歧。本文認(rèn)為，隨著理論研究與實踐應(yīng)用的進(jìn)一步深入與成熟，PBS的綜合性能將會不斷提高、成本與價格也將不斷降低，并逐漸取代傳統(tǒng)塑料，進(jìn)一步降低對環(huán)境的污染與危害，從而真正實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

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作者簡介：高維松（1965-），江蘇華信新材料股份有限公司副總經(jīng)理。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）endprint