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二氧化碳基三元共聚物的合成路径与性能调控研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球工业化进程的加速，二氧化碳排放量急剧增加，由此引发的温室效应已成为全球关注的环境问题。二氧化碳不仅是主要的温室气体，同时也是一种来源丰富、价格低廉的可再生C1资源。如何高效利用二氧化碳，将其转化为具有高附加值的化学品和材料，成为了科研领域的研究热点之一。在众多二氧化碳的利用途径中，合成二氧化碳基聚合物是一种极具前景的方法，这不仅为二氧化碳的减排提供了新的策略，还为新型材料的开发开辟了新的道路。

二氧化碳基聚合物，是指以二氧化碳和环氧化合物为主要原料，通过共聚反应合成的一类新型聚合物。其中，二氧化碳基三元共聚物在传统二元共聚物的基础上，引入了第三单体，从而赋予了聚合物更为丰富的结构和性能。通过合理选择第三单体，可以对共聚物的玻璃化转变温度、结晶性能、力学性能、降解性能等进行有效调控，使其能够满足不同领域的应用需求。

在环保领域，二氧化碳基三元共聚物通常具有良好的生物降解性。与传统的石油基塑料相比，它们在自然环境中能够被微生物分解为水、二氧化碳等小分子物质，从而大大减少了塑料废弃物对环境的污染，为解决“白色污染”问题提供了有效的解决方案。此外，利用二氧化碳作为原料合成聚合物，实现了二氧化碳的固定和转化，减少了其在大气中的排放，对缓解温室效应具有积极的作用。

从材料科学的角度来看，二氧化碳基三元共聚物展现出了独特的性能优势，为新型材料的开发提供了广阔的空间。例如，通过引入合适的第三单体，可以提高共聚物的热稳定性和力学性能，使其有望应用于汽车、电子、建筑等领域；一些二氧化碳基三元共聚物还具有良好的生物相容性，可用于生物医学领域，如制备药物缓释载体、组织工程支架、可吸收缝合线等。这些应用不仅拓展了材料的应用范围，还推动了相关领域的技术创新和发展。

综上所述，二氧化碳基三元共聚物的合成与性能研究具有重要的科学意义和实际应用价值。它既有助于解决环境问题，实现二氧化碳的资源化利用，又能够满足社会对新型材料的需求，推动材料科学的发展。因此，深入开展这方面的研究具有紧迫性和必要性。

1.2国内外研究现状

在过去的几十年中，二氧化碳基三元共聚物的研究取得了显著的进展，国内外众多科研团队在合成方法、性能研究及应用探索等方面展开了广泛而深入的研究。

在合成方法上，早期的研究主要集中在使用金属催化剂来实现二氧化碳与环氧化合物以及第三单体的共聚反应。如Inoue等人在1969年首次报道了二氧化碳和环氧丙烷在催化剂作用下的共聚反应，开启了二氧化碳基聚合物研究的先河。此后，多种金属催化剂，如锌、钴、铝等的配合物被用于三元共聚反应中。Darensbourg研究小组开发的锌配合物催化剂，在二氧化碳、环氧丙烷和琥珀酸酐的三元共聚反应中表现出了较高的催化活性和选择性，能够有效地调控共聚物的结构和组成。

然而，金属催化剂存在着一些不足之处，如残留金属离子可能对环境和生物产生潜在危害，且催化剂成本较高。近年来，非金属催化体系逐渐受到关注。李志波/刘绍峰教授团队利用三乙基硼（TEB）和鎓盐PPNCl的二元催化体系实现了环氧/酸酐/CO?的选择性三元共聚，制备了结构明确的聚酯-聚碳酸酯嵌段共聚物。该团队还构筑了大体积磷腈盐四[三(二甲氨基)亚氨基]氯化磷P5Cl/TEB二元催化体系，通过调节P5Cl与TEB的摩尔比，实现了嵌段或者真正无规聚酯-聚碳酸酯共聚物的精准合成，为无金属催化合成二氧化碳基三元共聚物提供了新的策略。

在性能研究方面，国内外学者针对二氧化碳基三元共聚物的热性能、力学性能、降解性能和生物相容性等进行了大量的研究。研究发现，引入第三单体可以显著改善共聚物的热性能和力学性能。中山大学的研究团队通过将二氧化碳、环氧丙烷和邻苯二甲酸酐进行三元共聚，制备了聚酯-聚碳酸酯共聚物（PPC-P）。通过示差扫描量热法（DSC）、热重分析（TGA）以及拉伸试验对不同序列结构的PPC-P进行性能表征，结果表明，与传统的聚碳酸亚丙酯相比，PPC-P的玻璃化转变温度和热分解温度得到了提高，拉伸强度也有所增强。

在降解性能和生物相容性方面，许多研究表明二氧化碳基三元共聚物具有良好的生物降解性和生物相容性。聚碳酸亚丙酯与其他单体形成的三元共聚物在土壤、水等环境中能够被微生物逐步分解，其降解产物对环境无污染。一些二氧化碳基三元共聚物还被证明可以作为药物缓释载体和组织工程支架材料，在生物医学领域具有潜在的应用价值。

尽管二氧化碳基三元共聚物的研究取得了一定的成果，但目前仍存在一些不足之处。部分合成方法存在反应条件苛刻、催化剂效率低、共聚物结构难以精确控制等问题，限制了其大规模工业化生产。此外，对于共聚物结构与性能之间的