自从20世纪塑料诞生后，虽然其应用广泛，给人们的生活带来极大便利，但伴随而来的“白色污染”成了意想不到的灾难，也引起了世界各国的广泛重视。欧洲、美国、日本等发达国家和地区，已经明令禁止使用一次性泡沫塑料包装物，使用全降解塑料成为一种迫切需求。
在这种背景下，一种采用二氧化碳和烷烃为原料制造的“二氧化碳塑料”引起广泛关注。这种塑料被填埋后，能在短时间内降解。即便采用焚烧处理，也只会生成二氧化碳和水，不产生有害烟雾。
环境友好材料是指在原料采集、产品制造使用或再生循环利用以及废料处理等环节中对环境负荷最小的材料，它具有资源和能源消耗少、对生态和环境污染小、再生利用率高的特点。二氧化碳可降解塑料便是一种环境友好材料，是国内外研发领域中具有创新优势的可降解塑料。这种环境友好型塑料不仅能减少“白色污染”，还能缓解如今日益严重的温室效应。
把二氧化碳变废为宝
自工业革命以来，人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，并逐渐引发一系列问题，因此，目前世界上绝大多数国家都已经达成了减少二氧化碳排放量的共识。不过，二氧化碳既是导致地球温室效应的元凶，也是一种潜在的碳资源。二氧化碳可降解塑料就是一种利用二氧化碳和烷烃为原料制造的聚合物材料。这也就意味着，在这种塑料的生产过程中将对二氧化碳进行回收利用。
使用二氧化碳基聚合物制造的塑料制品一旦被废弃，可以通过回收利用、焚烧和填埋等多种方式处理。和普通塑料一样，回收利用当然还是最环保的处理方法，但是即便通过焚烧处理，这种塑料也只会生成二氧化碳和水，不产生有害烟雾，不造成二次污染。如果填埋处理这种塑料，也可在短时间内降解。
从上述性能来看，二氧化碳基聚合物塑料几乎就是一种“完美材料”。因此，这种高科技环保塑料一经问世就引起美、俄、韩、日等多国研究人员的关注，他们在二氧化碳基聚合物领域进行了大量的研发工作，并研制出多种可以量产的塑料品种，如二氧化碳/环氧丙烷共聚物、二氧化碳/环氧丙烷/环氧乙烷三元共聚物、二氧化碳/环氧丙烷/环氧环己烷三元共聚物等。
二氧化碳塑料如何制成
众所周知，二氧化碳的组成元素就是碳和氧，其中的碳是构成有机物的必要元素。不过要想成功地使二氧化碳与其他有机化合物（如环氧丙烷）发生聚合反应，就必须找到一种能使“二氧化碳活化”的特殊催化剂。所谓“二氧化碳活化”就是指弱化二氧化碳分子中碳原子和氧原子间的化学键，使这些原子断开链接或变得“若即若离”，以便碳原子能与其他物质结合，形成新的可降解塑料。因此，合成二氧化碳基聚合物的核心就是——寻找到合适的催化剂和催化方法。
其实，早在上世纪70年代，就有科学家发现了一种具有这种作用的催化剂——二乙基锌，它是一种金属有机化合物。可惜的是，在采用二乙基锌催化剂的情况下，要利用碳原子、水分子、烷烃分子等小分子（相对分子质量仅二三十），合成堪称“庞然大物”的二氧化碳基聚合物（相对分子质量达10万），差不多需要20小时，生产效率太低，不能满足工业化生产的需要。后来科学家又发现了一种名为“稀土三元”的催化剂，利用这种催化剂能把反应时间减少到8小时以内，这也是目前达到的较高水平。
然而，现在所有已知的用于活化二氧化碳的催化剂，它们的生产成本都很高，无法工业化开发。因此科学家们另辟蹊径，即利用现有的催化剂来增加它的催化效率。
在化学上有个正比关系，就是催化剂与被催化物的接触面越大，催化反应就会更有效。这就像电脑中央处理器（CPU）上的散热器，即使风扇的风力是一定的，如果散热的表面积越大，气流对流越快，降温的效果就越好。延续这个思路，要使催化剂与二氧化碳的接触面尽可能大，也就要使催化剂的颗粒尽可能小，最好能够实现分子间的“握手”，即达到“糖溶于水”的水平。
科学家发现二氧化碳在高压下会变为液态，并且含氟的化合物可以溶解于液态二氧化碳。根据这一特性，科学家们把催化剂附在含氟的化合物上，然后溶在液态二氧化碳中，果然，催化剂的催化效率增加了近70倍，二氧化碳基聚合物的生产成本也大大降低。
环保材料为何还未普及
但是，就目前来讲，二氧化碳可降解塑料推广的压力依然很大，主要是由于面临以下几个问题。
首先，合成工艺的改善确实提高了二氧化碳基聚合物的生产效率，但是催化剂的高成本仍然是二氧化碳可降解塑料产业发展的重要瓶颈。再加上产业所需主要原料之一的环氧丙烷等环氧基烷烃的价格也相对较高。在利用石油生产的普通塑料价格持续走低的情况下，二氧化碳可降解塑料产业的成本压力越来越大，可谓举步维艰。
其次，二氧化碳基聚合物的热稳定性、阻隔性、尺寸稳定性、高低温下的力学性能与普通塑料还有一定差距，因此只能在食品包装、医疗卫生等有特殊要求的少数领域使用，无法在需求巨大的薄膜、农用地膜等领域推广应用。不仅如此，即便在有限的食品包装、医疗卫生领域，二氧化碳基聚合物也面临聚乳酸、聚乙烯醇、聚丁二酸丁二醇酯等传统可降解塑料的冲击与竞争，这使得二氧化碳可降解塑料的消费市场十分狭小，产品销售困难。
再次，就单位产品投资额而言，二氧化碳可降解塑料项目的投资额很高，一个年产1万吨二氧化碳可降解塑料的项目，往往需要2000万美元以上的资金投入。单从经济效益考虑，项目投资风险很大。
尽管二氧化碳可降解塑料的大范围推广还有待时日，但我们相信，随着科技的不断进步，二氧化碳基聚合物终究会突破生产成本和性能上的瓶颈。终有一天，这种环境友好型塑料会展现出良好的市场竞争力和生命力，从而改善我们的生活，甚至改变我们的世界。
（选自《百科知识》2017年22期）
