聚丁二酸丁二醇酯(PBS)制备技术及应用前景分析

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摘要：PBS（聚丁二酸丁二醇酯）是一种应用范围很广的塑料，具有很好的生物降解性，由于石油等化石资源的日益枯竭，新型聚丁二酸丁二醇酯（pbs）替代以石油基产品为原料制成的PBS，是PBS塑料产业发展的新方向。文章对PBS的性能、应用及现状进行了分析，介绍了PBS的制备方法和技术进展。

关键词：聚丁二酸丁二醇酯（PBS）；制备技术；应用前景；生物降解性；石油基产品 文献标识码：A

中图分类号：TQ323 文章编号：1009-2374（2015）15-0048-03 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.15.024

1 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）综述

1.1 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）定义

聚丁二酸丁二醇酯（PBS）作为一种新型塑料材料，结构是丁二酸与丁二醇经常复分解反应后形成的酯，分子式为：HO-[CO-（CH2）2-CO-O-（CH2）4-O]n-H，

具有生物降解性优异、用途广泛等特点，常用于塑料包装、食用餐具、农用薄膜、医用高分子材料等领域。与其他降解型塑料相比，PBS的成本低、性能良好，能非常好地与其他不同材料进行有效聚合，因此其工业应用前景非常广阔，具有很好的市场与经济价值。

研究表明，聚丁二酸丁二醇酯（PBS）以二元酸以及二元醇等化学物质为主要原料，通过一系列化学反应而合成。经过多年的科学实验与工业声场，PBS的加工性能已经比较成熟，可在绝大多数塑料设备上开展任何形式、任何类型加工。此外，PBS也可以与碳酸钙、淀粉等廉价填料共混，以此来以降低生产质保成本。

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，同时还具有透明性好、光泽度强以及印刷性能好等多种特点，是目前被公认为最有前景的绿色环保型高分子材料。具体来说，聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的性能主要表现在以下四个方面：

1.2.1 良好的加工性。工业研究与应用显示，聚丁二酸丁二醇酯（PBS）具有良好的加工性能，加工温度比较高，一般在150℃～200℃之间。可在多种常用的塑料加工设备上开展注塑、挤出以及吹塑等各类成型加工，是学术界与工业加工行业公认的加工性能最好的材料。此外，该型材料还可以与碳酸钙、淀粉等其他物质进行混合，降低生产、使用成本。

1.2.2 良好的耐热性。聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的耐热性也非常优异，多年的实验与工业研究表明，聚丁二酸丁二醇酯在各类塑料中的耐热性能最出色，能非常好地满足工业对塑料用品耐热性的需求，从而广泛应用于冷热饮包装和餐盒等塑料材料。

1.2.3 低降解性与化学性能稳定性。降解是与形成相反的化学反应，是指大分子化合物经化学反应回归到小分子化学的过程。化学稳定性是指材料对来自外在因素腐蚀的抵抗能力。聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的化学稳定性非常好，只有在化肥、土壤、水以及其他外在因素的环境下，缓慢的被微生物和动植物体内的催化酶分解，最终分解成二氧化碳和水。

1.2.4 良好的力学性能。与其他多种塑料相比，PBS具有更为优异的力学性，具有各类通用树脂的力学性能。

1.3 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的应用

由于聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的上述性能，使它具有非常广的应用范围。

1.3.1 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）广泛应用于包装领域，主要有包装垃圾袋、食品袋、各种冷热饮瓶子、农用薄膜、种植器具与植被网等。

1.3.2 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）广泛用于各类日化用品。一般来说，日化用品对塑料制品的机械强度的要求比较严格，所以需要在PBS中添加滑石粉、碳酸钙等，满足日化用品的使用需求。

1.3.3 由于聚丁二酸丁二醇酯（PBS）具有生物相容性与可降解性等特点，从而广泛应用于医疗行业，如用于人造软骨、手术缝合线、手术支架等医用设备。

2 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）应用的合成工艺

化学合成法在聚丁二酸丁二醇酯（PBS）合成中的应用最广泛，主要有溶液缩聚法、熔融缩聚法、扩链法、酯交换聚合法等。此外，聚丁二酸丁二醇酯（PBS）也可采用生物发酵法进行合成，但其成本较高，应用范围不广。

2.1 溶液聚合法

溶液聚合法的具体原理如下：在一定温度与催化剂条件下，使丁二酸与丁二醇发生化学反应，完成二者的酯化反应，在反应过程中使用不同的溶剂，减少反应生成的水分，然后在高温条件下发生缩聚反应。

一般来说，如果不能及时分离溶液聚合反映产生的水分，将会给PBS的聚合反应带来不利影响。因此，有学者对溶液缩聚法进行了提升与改进，以十氢萘为溶剂，以二元酸和二元醇为原料，在合适的温度与催化加条件下发生聚合反应，并用油水分离器取代传统水分离方法。该种方法适用于工业对塑料的大规模生产。

2.2 熔融缩聚法

熔融缩聚法将合成PBS的过程分成酯化阶段和缩聚阶段两部分。具体步骤为：在较低的温度条件下，以丁二酸和丁二醇为化学反应原料，进行熔融酯化反应，然后在真空、高温条件下完成缩聚反应。

该方法对催化剂的要求比较高，催化剂能直接影响PBS分子量的大小。学者在35℃与31.99kPa的条件下，以三氟甲烷磺酸钪和三氟甲基磺酰亚胺为催化剂完成聚合反应，取得了较好的效果。

但是，通过传统合成工艺聚合得到的PBS分子量相对较低，限制了PBS的合成效果与应用范围。因此，学者又进一步创新和改进了PBS的合成工艺，将缩聚反应分为预缩聚和真空缩聚两步，从而进一步提高了PBS聚合的效果与效率。

2.3 扩链法

扩链剂是一种分子量相对较低的双官能团化合物，易同高分子聚合物链的末端基团发生化学反应，可增加聚合物的相对分子量，进一步加快聚合反应。

使用扩链剂后的扩链法可使聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的力学性能大幅提高，研究结果显示使用扩链法后的PBS的力学性能有所善、特性黏度有所增强、生物降解性也有所改善。

此外，使用扩链剂后的扩链法还可提高PBS的分子量，研究表明：采用该法后的PBS的分子量成倍增加，热稳定性也有所提高，但该扩链反应法所需的时间较长，反应条件也较为苛刻，因而使用范围较小。

2.4 酯交换法

在高温、高真空以及催化剂的作用下，使等量的二元醇和二元酸二甲酯进行酯交换，完成聚合反映，从而得到聚丁二酸丁二醇酯（PBS）。由于酯交换法中未使用溶剂，而且参加反应的二元醇可通过水溶剂或加热等简单操作除去，最终得到的PBS杂质含量较低。

3 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的改进

为进一步提高聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的性能，许多学者开展了大量的针对PBS的改进性分析与研究，在不断提高PBS各类常用性能与特点的同时，也有效地提高了生物相容性和生物降解性特性，具体改进方法分为共聚改进方法和共混改进方法两种。

在实施共聚改进方法时，把芳香族类聚酯添加到PBS制备之中，能明显提高其既有的物理性能与力学性能。研究表明，将芳香基团连接在PBS侧链上，能使PBS的断裂明显伸长、撕裂度明显降低、生物降解性明显加强。把脂肪族组分添加到PBS的制备过程中，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）的应用及产业化发展

PBS是降解能力非常强的化学聚合物，在自然条件下，可完成分解，且其分解产物是对自然环境没任何污染与破坏的水和二氧化碳。因此，大力发展与推广PBS及其相关产业，是有效降低塑料产量、环减环境污染的重要途径之一。

4.1 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的应用

以PBS作为主要的原料，可制造出化学性能与物理性能都非常优良的复合纤维。此外，将带有金属离子的陶瓷材料与PBS纤维混合，能制造出抗菌性能非常好的纤维材料。研究还表明PBS在人体内部的适应性非常好，在人体内可以被完全分解和吸收，且几乎不产生副作用。因此，PBS也广泛应用于医疗手术缝合线等。

4.2 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的产业化发展

近年来，欧美发达国家越来越重视PBS可降解塑料的研究与应用，投入大量的人力与物力，加大研发力度，从而明显加快了产业化发展的步伐。研究表明，生物降解性塑料的需求呈几何指数增长率，预计欧洲2015年消费量将超过100万吨。

20世纪末，日本的高科技公司以异氰酸酯为扩链剂，对传统缩聚合成得到、分子量相对较低的PBS开展改进，成功实现了相对分子量为200000的PBS聚合，极大地扩展了PBS的应用范围、加快了市场化应用步伐。

在国内，中科院下属的研究所自主研发了特种纳米微孔载体材料复合高效催化体系，实现了对相对分子质量超过200000的PBS的聚合合成，并与相关公司签署协议，合资组建分子材料公司，建设世界最大规模的PBS生产线，成功实现其产业化发展，这标志着中国生物降解塑料产业开始大规模产业化的新纪元。此外，由于PBS具有优异的性能，中科院在常用塑料加工设备上对PBS及其相关产品开展再加工与再成型研究，从而制备出加工性能更加优异、工业用途更加广泛的PBS材料，且该材料对设备和工艺的要求进一步降低。

PBS生物降解性聚酯作为塑料家族的品种之一，因其良好的性能特征与低污染性，正以很快的速度实现产业化、规模化发展。目前已经进入实用推广阶段，随着社会对环境污染的日益关注以及对降解塑料的不断需求量，其产业规模必定将进一步扩大。与此同时，发酵法生产丁二酸已实现商业化发展，技术也已成熟，为大规模生产与发展PBS提供来源保障，使PBS变成真正的绿色塑料，且其成本也将进一步降低，产品的应用领域还会不断扩大。

5 结语

目前，虽然PBS作为一类新型的生物降解材料，且国内外学术界与工业领域对其的研究与应用逐渐增加，但其在很多领域的研究存在局限与不足。不同学者的观点仍存在一定的分歧。本文认为，随着理论研究与实践应用的进一步深入与成熟，PBS的综合性能将会不断提高、成本与价格也将不断降低，并逐渐取代传统塑料，进一步降低对环境的污染与危害，从而真正实现可持续发展。

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作者简介：高维松（1965-），江苏华信新材料股份有限公司副总经理。