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研究人員通過一鍋法綠色合成液晶聚碳酸酯（LCPC）

文章來源：環球聚氨酯網更新時間：2025-06-25 11:55:40

研究通過簡易熔融縮聚一步法綠色合成了兼具優異機械性能（拉伸強度提升32%、沖擊強度約40kJ/m²）與卓越防火安全性(0.4mm厚阻燃指數達UL-94 V-0級、極限氧指數44.9%，熱釋放和煙釋放分別降低62.7%和77.3%)的可化學回收液晶聚碳酸酯（LCPC），且其能在溫和條件下閉環回收至單體并保持性能。

塑料新視界報道：近期，四川大學化學學院王玉忠院士與劉博文教授課題組在《Chemical Engineering Journal》發表題為《One-pot green synthesis of liquid crystal polycarbonate towards mechanical robustness, superior fire safety, and efficient closed-loop chemical recycling》的研究論文，即將在7月1日《CEJ》第515卷刊發。

一、研究背景與科學問題聚碳酸酯（PC）是工程塑料中的 “多面手”，憑借高機械強度、低蠕變和光學透明性，在電子電器、光學器件等領域大顯身手。但在航空航天、高速軌道交通等高端場景中，它面臨雙重挑戰——既要滿足高防火性、強韌性和低介電損耗等嚴苛性能要求，又要解決傳統填埋、焚燒處理帶來的塑料污染與能源浪費問題，構建閉環回收體系迫在眉睫。目前改善PC性能的常用方法是添加阻燃劑等功能性助劑，但硅系、磷系等小分子添加劑與PC“兼容性差”，不僅會讓材料沖擊強度下降15%-30%，還會因水解問題使介電損耗升高20%-50%。更麻煩的是，這些添加劑難以從PC基體中分離回收，與循環經濟理念背道而馳。液晶聚合物（LCP）因剛性結構具備優異的成炭能力和低介電特性，被視為理想改良方案。盡管含磷液晶共聚酯與PC共混能提升阻燃等級，但大分子LCP與PC的相分離問題導致回收困難。因此，如何在PC分子鏈中直接構建LCP結構，實現高性能與可回收性的雙贏，成為行業亟待突破的關鍵問題。

二、研究創新與核心發現1.綠色合成路線與材料設計研究團隊提出基于熔融縮聚的一鍋法綠色合成策略，以雙酚A（BPA）、碳酸二苯酯（DPC）為基礎原料，引入4,4'-二羥基二苯甲酮（BHE）與4,4'-二羥基聯苯（BP）作為介晶單元，通過精確調控反應溫度與壓力（逐步降至100Pa），在無溶劑條件下實現液晶聚碳酸酯（LCPC）的可控合成。該路線避免傳統光氣法的劇毒風險，原子經濟性達89%，符合綠色化學原則。

2.多維度性能協同提升

LCPC因介晶結構形成典型的晶態-向列相轉變液晶相，賦予材料多維度性能優勢。

機械性能：液晶相在外力作用下自組裝形成微纖絲網絡，有效分散應力集中，其沖擊強度達40 kJ·m?²，為阻燃PC材料的最高值之一，較傳統PC提升顯著。

防火安全：LCP結構賦予優異成炭能力，0.4mm厚度即通過UL-94 V-0認證，極限氧指數（LOI）達44.9%，峰值熱釋放速率較PC降低62.7%，總煙霧釋放量減少77.3%，實現高效抑煙阻燃。

回收特性：LCPC可在溫和條件下解聚為初始單體，再聚合的re-LCPC保持與原材相似的綜合性能，實現閉環化學回收。

3.溫和條件下高效回收LCPC的分子鏈中保留碳酸酯鍵的可斷裂特性，在溫和條件（2mol/L NaOH 水溶液，80℃，4h）下可完全解聚為BPA、BHE、BP等單體，純度達99.2%。通過再聚合工藝制備的re-LCPC，其力學性能（拉伸強度76.3MPa，沖擊強度37.5kJ/m²）與阻燃性能（極限氧指數LOI44.1%）與原材基本一致，實現材料性能的閉環保持。該回收工藝的能量消耗較機械回收降低40%，展現顯著的環境效益。三、研究結論本研究利用一鍋綠色熔融聚合工藝成功合成新型液晶聚碳酸酯（LCPC）。LCPC 的液晶相賦予其出色的機械穩定性，沖擊強度達～40 kJ·m?² 。在防火安全性能上，其極限氧指數為44.9%，通過多種厚度下的UL-94 V-0認證，大幅降低熱釋放和煙霧量。同時，LCPC能在溫和條件下解聚為原始單體，重新聚合后性能基本不變，實現閉環化學回收。這一成果為高性能聚碳酸酯材料的多功能化設計與可持續發展開辟了新路徑。

圖1 LCPC 的合成和基本表征。（a）LCPC 的合成路線。（b）BP、HQ、BHE 和 LCPC 的 FTIR 光譜。（c）260 °C 下 BPA-PC 的 POM 圖像和（d）330 °C 下 LCPC 的 POM 圖像。（e）BPA-PC 和 LCPC 的 WAXD 圖案。（fg）在氮氣氣氛下，升溫速率為 10 °C min −1 時 BPA-PC 和 LCPC 的 TGA 和 DTG 曲線

圖2 (a)PC和LCPC在 UL-94 試驗中的數碼照片和(b)PC和LCPC的LOI試驗結果；通過CCT獲得的 50kW m −2 熱流密度下PC和LCPC的(c)熱釋放速率曲線、(d)總熱釋放曲線和(e)總煙釋放曲線

圖3 (ac)純PC和(df)LCPC在50kW m −2 熱流密度下進行錐形量熱法測試后的炭殘留物的數碼照片、LSM和SEM顯微照片。(g)CCT后PC和LCPC的拉曼光譜。(h)Py-GC/MS測試獲得的色譜圖。(i)LCPC 阻燃機理示意圖

圖4 閉環化學回收。(a)LCPC化學解聚過程的數碼照片。(b)解聚產物的FTIR光譜和(c) 1H NMR 光譜。(d) UL-94測試過程和(e)再聚合 PC 共聚物的LOI測試結果。(f) LCPC回收示意圖。(g) LCPC 與先前報道的PC聚合物的總體性能比較

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