先进化工材料关键技术丛书 第二批 二氧化碳基高分子材料 二氧化碳共聚物合成化学 二氧化碳基塑料物理性能化工材料高分子材料

1.本书是国家出版基金项目“先进化工材料关键技术丛书”的分册之一，由业内知名专家王献红研究员主编。
2.本书以二氧化碳基高分子材料的催化体系、聚合物结构调控和性能发掘为轴，系统总结基础研究和应用研究的进展。
3.本书系统介绍了二氧化碳共聚物、二氧化碳基多元醇、水性二氧化碳基聚氨酯、二氧化碳基聚氨酯泡沫、热塑性二氧化碳基聚氨酯弹性体等二氧化碳基高分子材料的催化剂、结构、性能和应用。
4.本书凝结了作者团队在二氧化碳固定和利用领域二十余年的研究和应用经验，所涉及的研究内容为相关领域国际学术前沿的热点，可为相关研究人员提供新思路。

《二氧化碳基高分子材料》是“先进化工材料关键技术丛书”（第二批）的一个分册。
本书基于作者团队二十余年的工作积累，以二氧化碳基高分子材料的催化体系、聚合物结构调控和性能发掘为轴，系统总结了基础研究和应用研究的进展。全书共分八章，包括绪论、二氧化碳共聚物的合成化学、二氧化碳基塑料的物理性能、二氧化碳共聚物的功能化、二氧化碳基多元醇、水性二氧化碳基聚氨酯、二氧化碳基聚氨酯泡沫、热塑性二氧化碳基聚氨酯弹性体等。本书所涉及的研究内容为相关领域国际学术前沿的热点，许多结果来自作者团队精雕细琢的工作，有望为二氧化碳基高分子材料的基础与应用研究提供一些新思路。
本书适合化工材料、高分子材料领域，特别是对生物降解塑料和聚氨酯等领域感兴趣的研发人员阅读，也可供高等院校化学、化工、材料相关专业师生参考。

王献红，中国科学院长春应用化学研究所研究员，博士生导师，中国科学院生态环境高分子材料重点实验室主任。1988年毕业于上海交通大学，获学士学位，1993年毕业于中国科学院长春应用化学研究所，获博士学位。自1998年开始二氧化碳基高分子的应用基础研究，领导项目组发明了稀土三元催化剂，解决了高分子量二氧化碳基塑料（PPC）的合成化学、聚合物结构调控问题，并发掘出PPC的气体阻隔性、耐水解性、热牺牲性等独特性能，在生物降解包装膜、农用地膜等领域实现了规模应用，使PPC的工业化在世界上从不可能变为可能。近5年又发明了非均相稀土掺杂多金属催化剂和均相高分子铝卟啉催化剂，实现了二氧化碳基多元醇（PPC-polyol，又称CO2-polyol）的高效合成，研制出高初粘力、耐高温湿热的二氧化碳基聚氨酯水性胶，全面应用于代表我国高铁环保化水平的“京张高铁”。发表学术论文300余篇，授权国家发明专利100余件。现担任《高分子学报》副主编，同时担任“Chinese Journal of Polymer Science”、“Journal of Renewable Materials”等杂志编委。2000年获中国化学会青年化学奖，2001年获吉林省五一劳动奖章，2002年获国家杰出青年基金，2010年成为国家自然科学基金委创新群体“生物降解高分子材料的基本科学问题”学术带头人，2016年入选国家百千万人才工程。

第一章 绪论 001
第一节 聚合级二氧化碳的捕集与纯化 002
一、聚合级二氧化碳的定义 002
二、不同来源二氧化碳的捕集 005
三、二氧化碳的纯化 008
第二节 二氧化碳的分子结构 009
一、二氧化碳的原子轨道 009
二、二氧化碳的分子轨道 011
第三节 二氧化碳的活化 013
一、二氧化碳的配位方式 013
二、含金属催化剂下的活化 014
三、无金属催化剂下的活化 018
总结与展望 025
参考文献 026

第二章 二氧化碳共聚物的合成化学 033
第一节 二氧化碳的共聚反应 034
一、二氧化碳直接参与的共聚反应 034
二、二氧化碳间接参与的聚合反应 044
三、二氧化碳共聚物的分子量控制 049
第二节 二氧化碳-环氧化物共聚催化体系 050
一、非均相催化剂 050
二、传统均相催化剂 053
三、双功能催化剂 057
四、双金属催化剂 059
五、杂核双/多金属配合物催化体系 061
六、高分子催化剂体系 062
七、无金属催化剂 067
第三节 二氧化碳-环氧丙烷共聚物（PPC）的链结构控制 070
一、PPC的分子量 071
二、PPC的分子结构 074
第四节 二氧化碳-环氧环己烷共聚物（PCHC） 079
一、催化体系 080
二、PCHC的热学性能 083
三、PCHC的力学性能 086
总结与展望 086
参考文献 087

第三章 二氧化碳基塑料的物理性能 099
第一节 二氧化碳基塑料的链结构与性能 100
一、PPC分子量对其物理性能的影响 101
二、PPC中碳酸酯单元含量对其物理性能的影响 107
第二节 二氧化碳基塑料的性能调控 111
一、PPC的热学性能 112
二、PPC的力学性能 113
三、基于氢键相互作用的增韧和增强 114
四、基于高分子物理共混的性能调控 116
五、PPC薄膜的阻隔性能 122
六、PPC薄膜的耐老化性能 123
七、PPC薄膜的生物降解性能 124
第三节 基于二氧化碳基塑料的薄膜 125
一、阻隔包装薄膜 125
二、快递包装薄膜 126
三、生物降解地膜 128
第四节 基于二氧化碳基塑料的牺牲型热熔胶 133
一、PPC的熔体性能 133
二、牺牲型PPC热熔胶 134
第五节 二氧化碳基塑料纤维 135
一、PPC静电纺丝 135
二、PPC纤维应用 136
总结与展望 137
参考文献 138

第四章 二氧化碳共聚物的功能化 145
第一节 二氧化碳共聚物的主链功能化 146
一、二氧化碳与功能化单体的共聚 146
二、二氧化碳共聚物参与构建的嵌段聚合物 149
第二节 二氧化碳共聚物的侧基功能化 152
一、二氧化碳与含功能化侧基的环氧单体共聚 152
二、二氧化碳共聚物侧基的后修饰 155
三、二氧化碳共聚物的氯代反应 158
第三节 二氧化碳共聚物的特定位点功能化 159
一、二氧化碳共聚物的端基功能化 159
二、二氧化碳共聚物的链中功能化 161
第四节 不同拓扑结构的二氧化碳共聚物 163
一、超支化二氧化碳共聚物 164
二、其他拓扑结构的二氧化碳共聚物 166
总结与展望 167
参考文献 168

第五章 二氧化碳基多元醇 173
第一节 合成二氧化碳基多元醇的催化体系 175
一、非均相催化剂 175
二、均相催化剂 184
三、均相催化剂的非均相化 190
第二节 合成二氧化碳基多元醇的链转移剂 193
一、多元醇链转移剂 193
二、多元酸链转移剂 197
三、功能化链转移剂 200
第三节 二氧化碳基多元醇的端羟基 202
一、二氧化碳基多元醇的羟值 202
二、二氧化碳基多元醇的端羟基 203
总结与展望 206
参考文献 207

第六章 水性二氧化碳基聚氨酯 213
第一节 二氧化碳基聚氨酯的合成方法 215
一、二氧化碳基聚氨酯的概念 215
二、异氰酸酯路线聚氨酯 215
三、非异氰酸酯路线聚氨酯 222
四、二氧化碳基聚氨酯的物理性能 224
第二节 阴离子水性二氧化碳基聚氨酯 230
一、溶剂法水性二氧化碳基聚氨酯的合成 230
二、无溶剂法阴离子二氧化碳基聚氨酯的合成 232
第三节 阴离子水性二氧化碳基聚氨酯的应用 235
一、水性胶黏剂 235
二、水性涂料 237
三、水性皮革浆料 238
第四节 阳离子水性二氧化碳基聚氨酯 238
一、阳离子水性二氧化碳基聚氨酯的合成方法 238
二、近中性阳离子水性二氧化碳基聚氨酯 240
三、中性阳离子水性二氧化碳基聚氨酯 242
第五节 水性阳离子二氧化碳基聚氨酯的应用 242
一、水性抗菌涂料 242
二、水性阳离子胶黏剂 243
总结与展望 244
参考文献 244

第七章 二氧化碳基聚氨酯泡沫 251
第一节 聚氨酯泡沫的制备 254
一、反应原理 254
二、制备方法 255
三、聚氨酯泡沫用主要原材料 256
四、聚氨酯泡沫的结构 257
第二节 软质聚氨酯泡沫 259
一、软质聚氨酯泡沫概述 259
二、二氧化碳基聚氨酯软泡 260
第三节 硬质聚氨酯泡沫 272
一、硬质聚氨酯泡沫概述 272
二、大孔与微孔聚氨酯泡沫 273
三、二氧化碳基聚氨酯硬泡 274
第四节 慢回弹聚氨酯泡沫 279
总结与展望 281
参考文献 282

第八章 热塑性二氧化碳基聚氨酯弹性体 289
第一节 热塑性聚氨酯弹性体（TPU） 291
一、热塑性聚氨酯弹性体的结构 293
二、热塑性聚氨酯弹性体的合成方法 295
第二节 热塑性二氧化碳基聚氨酯弹性体的合成与性能 297
一、非晶结构二氧化碳基TPU的合成 297
二、二氧化碳基TPU的结构控制 299
三、二氧化碳基TPU的热力学性能 304
第三节 热塑性二氧化碳基聚氨酯弹性体的应用 306
一、阻尼材料 306
二、耐磨材料 308
三、热熔胶 309
四、密封材料 310
五、耐油材料 311
六、生物降解材料 311
七、基于二氧化碳基聚氨酯的纤维材料 313
总结与展望 314
参考文献 314

索引 320

丛书（第二批）序言
材料是人类文明的物质基础，是人类生产力进步的标志。材料引领着人类社会的发展，是人类进步的里程碑。新材料作为新一轮科技革命和产业变革的基石与先导，是“发明之母”和“产业食粮”，对推动技术创新、促进传统产业转型升级和保障国家安全等具有重要作用，是全球经济和科技竞争的战略焦点，是衡量一个国家和地区经济社会发展、科技进步和国防实力的重要标志。目前，我国新材料研发在国际上的重要地位日益凸显，但在产业规模、关键技术等方面与国外相比仍存在较大差距，新材料已经成为制约我国制造业转型升级的突出短板。
先进化工材料也称化工新材料，一般是指通过化学合成工艺生产的、具有优异性能或特殊功能的新型材料，包括高性能合成树脂、特种工程塑料、高性能合成橡胶、高性能纤维及其复合材料、先进化工建筑材料、先进膜材料、高性能涂料与黏合剂、高性能化工生物材料、电子化学品、石墨烯材料、催化材料、纳米材料、其他化工功能材料等。先进化工材料是新能源、高端装备、绿色环保、生物技术等战略性新兴产业的重要基础材料。先进化工材料广泛应用于国民经济和国防军工的众多领域中，是市场需求增长最快的领域之一，已成为我国化工行业发展最快、发展质量最好的重要引领力量。
我国化工产业对国家经济发展贡献巨大，但从产业结构上看，目前以基础和大宗化工原料及产品生产为主，处于全球价值链的中低端。“一代材料，一代装备，一代产业。”先进化工材料因其性能优异，是当今关注度最高、需求最旺、发展最快的领域之一，与国家安全、国防安全以及战略性新兴产业关系最为密切，也是一个国家工业和产业发展水平以及一个国家整体技术水平的典型代表，直接推动并影响着新一轮科技革命和产业变革的速度与进程。先进化工材料既是我国化工产业转型升级、实现由大到强跨越式发展的重要方向，同时也是保障我国制造业先进性、支撑性和多样性的“底盘技术”，是实施制造强国战略、推动制造业高质量发展的重要保障，关乎产业链和供应链安全稳定、绿色低碳发展以及民生福祉改善，具有广阔的发展前景。
“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。”关键核心技术是国之重器，要靠我们自力更生，切实提高自主创新能力，才能把科技发展主动权牢牢掌握在自己手里。新材料是战略性、基础性产业，也是高技术竞争的关键领域。作为新材料的重要方向，先进化工材料具有技术含量高、附加值高、与国民经济各部门配套性强等特点，是化工行业极具活力和发展潜力的领域。我国先进化工材料领域科技人员从国家急迫需要和长远需求出发，在国家自然科学基金、国家重点研发计划等立项支持下，集中力量攻克了一批“卡脖子”技术、补短板技术、颠覆性技术和关键设备，取得了一系列具有自主知识产权的重大理论和工程化技术突破，部分科技成果已达到世界领先水平。中国化工学会组织编写的“先进化工材料关键技术丛书”（第二批）正是由数十项国家重大课题以及数十项国家三大科技奖孕育，经过200多位杰出中青年专家深度分析提炼总结而成，丛书各分册主编大都由国家技术发明奖和国家科技进步奖获得者、国家重点研发计划负责人等担纲，代表了先进化工材料领域的最高水平。丛书系统阐述了高性能高分子材料、纳米材料、生物材料、润滑材料、先进催化材料及高端功能材料加工与精制等一系列创新性强、关注度高、应用广泛的科技成果。丛书所述内容大都为专家多年潜心研究和工程实践的结晶，打破了化工材料领域对国外技术的依赖，具有自主知识产权，原创性突出，应用效果好，指导性强。
创新是引领发展的第一动力，科技是战胜困难的有力武器。科技命脉已成为关系国家安全和经济安全的关键要素。丛书编写以服务创新型国家建设，增强我国科技实力、国防实力和综合国力为目标，按照《中国制造2025》《新材料产业发展指南》的要求，紧紧围绕支撑我国新能源汽车、新一代信息技术、航空航天、先进轨道交通、节能环保和“大健康”等对国民经济和民生有重大影响的产业发展，相信出版后将会大力促进我国化工行业补短板、强弱项、转型升级，为我国高端制造和战略性新兴产业发展提供强力保障，对彰显文化自信、培育高精尖产业发展新动能、加快经济高质量发展也具有积极意义。

中国工程院院士：薛群基