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生物降解塑料下一个产业热点

发布时间:2021年08月18日    点击:[0]人次

生物降解塑料,下一个产业热点?

简介

可生物降解聚合物在几十年前已经开始开发了,但是真正在商业化领域的成熟却是非常缓慢的。究其原因,在于同传统塑料材料相比,可生物降解聚合物具有成本高、物理性能差这样的缺陷。另外,对于将可生物降解材料投入实际工业化的下游生产者也缺乏足够的鼓励措施。

现在这种不景气的状况正在逐渐改变。可生物降解聚合物的生产成本被工业生产体系的扩大化所大大降低了,而其性能正随着逐渐进步的复杂聚合和共混技术而变得更强和更耐用持久。另一方面,随着公众对环境的关注程度的日益增长,可生物降解聚合物开始在各种食品和饮料包装领域得到了更多的推广使用。在有些国家和地区,可生物降解材料正得到法律上的鼓励和支持。

市场概况

可生物降解聚合物,尤其是来自于生物合成的聚合物,在世界塑料市场中只占有很小的份额。欧洲技术远景调查委员会的一份关于生物基可降解聚合物的研究报告得出结论认为到2010年该类材料在欧洲将会在聚合物市场占有1~2%的份额,即使到2020年也不会超过5%。

在可降解塑料的应用领域,食品包装占有最重要的地位。由该类材料制成的容器、薄膜和发泡材料被应用于包装肉类、乳制品及各种烘烤制品。由该类材料制成的用于盛放水、牛奶、果汁和饮料的一次性杯子也得到了广泛应用。还有一部分该类材料被用于制作盘子、碗和碟子等。用于食品废弃物收集和堆肥的袋子和超市用塑料袋也是该类材料的一个应用领域。另外,该类材料在农用膜领域的应用正逐渐增长。

图 1: 可生物降解聚合物 (BDP) 的产量近年来增长迅速图片来源: International Biodegradable Polymers Association & Working Groups

性能

可生物降解聚合物不同于大多数其它塑料的特点在于可被日常环境中的细菌和真菌微生物所破坏降解。如果六个月内一种聚合物能在土壤或水中被全部破坏降解,那么这种聚合物就可以被认为是可生物降解聚合物。大多数情况下,降解产物是二氧化碳和水。任何降解产物和残留物都必须经过毒性和安全性测试。

可生物降解塑料既能够由可再生资源(如通过谷物制造的糖类)也能够通过石油产品作为原料而制得。这类塑料既可以单独使用也可以和其它种类的塑料和添加剂混合使用。

可生物降解聚合物适用于绝大多数标准塑料加工技术,包括热压、挤出、注射和流动成型。

种类

绝大多数可生物降解塑料属于聚酯系列,尽管也有个别特例,如由改性淀粉制得的材料。虽然芳香族聚酯,例如PET,具有很好的机械性能,但是这类聚酯对微生物侵蚀具有相当强的抵抗能力。与之相反,脂肪族聚酯很容易被降解然而不具备芳香族聚酯那样良好的机械性能。为了改善可降解脂肪族聚酯的物理性能,研究者在脂肪族聚酯分子链中添加一些共聚单体,既有芳香族单体也有脂肪族单体。

聚羟基烷酸酯(PHAs)

聚羟基烷酸酯是脂肪族聚酯,在这一类聚酯系列中最重要的是聚羟基丁酸酯(PHB)和聚羟基戊酸酯(PHV)。商业化的PHA一般都是PHB和PHV或者是PHB和另外一种聚羟基烷酸酯--聚羟基己酸酯(PHH)的共聚物。PHAs是由植物糖(如葡萄糖)经过细菌发酵而制得。聚合物在细菌细胞内逐步积累而形成,收获这些细胞即可得到聚合物产品。

图 2: 通过微生物发酵糖类制得的聚酯--聚羟基烷酸酯可以被加工得到很多产品。

(图片来源: metabolix)

从同一条生产线上(metabolix)可以生产出分子量覆盖1,000~1,000,000范围的PHA产品,这些产品的断裂伸长率从5%~1,000%不等。其产品的可润湿性能和可印刷性能覆盖了从PET到聚丙烯这样一个性能范围,而且据报道这些产品具有紫外稳定性。这些聚合物在水中是稳定的,但是在海水、土壤、堆肥和废弃物处理环境中是可以生物降解的。

图 3: PHA与其它聚合物的物理性能对比

(图片来源: metabolix)

PHAs被广泛用于生产可降解包装和模压制品、用于直接擦洗和人体卫生的无纺制品、薄膜和纤维制品、粘合剂和涂层、金属-陶瓷粉末粘结和纸张木材的防水涂覆层。

过去PHAs由于其过高的价格而难以得到广泛应用,但是现在有一些方法可以以降低其成本,例如利用美国牧草这样的廉价资源来生产用于制备PHAs的发酵糖。

聚乳酸(PLA)

利用来自于谷物或其它有机物的发酵糖可以生产乳酸,而乳酸可以通过聚合反应得到一种线形脂肪族聚酯--聚乳酸(PLA)。PLA的降解分为两个阶段,第一阶段是它的酯基团逐步水解成为乳酸和其它小分子,然后这些小分子被环境中的微生物所分解。

图 4: 水果容器聚乳酸的许多应用之一

(图片来源: NatureWorks LLC.)

PLA经常和淀粉共混以增强其可降解性能并降低成本。但是这种共混产物太脆了,因此常常还要加入一些增塑剂如甘油和山梨糖醇使其变得柔软一些。一些生产者也经常使用一些别的可降解聚酯与PLA共混来达到替代增塑剂的目的。

物理性能PLA 聚合物*ASTM 标准比重1.24D792熔融指数, g/10 min (190°C/2.16K), g/10 min (190°C/2.16K)