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浅析生物塑料应用现状与发展趋势

来源:国际塑料商情 发布时间:2020-09-03 879
化工塑料橡胶塑料加工设备模具及零件材料处理、计量与检测原料及混合物添加剂及母粒其他增强塑料
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由于化石资源的短缺和塑料污染问题,从自然资源中提取可再生和可降解材料引起了人们的关注。为了更好解决塑料污染问题,越来越多研究集中在生产生物塑料和开发具有生物降解性能的材料上。

由于化石资源的短缺和塑料污染问题,从自然资源中提取可再生和可降解材料引起了人们的关注。为了更好解决塑料污染问题,越来越多研究集中在生产生物塑料和开发具有生物降解性能的材料上。与传统塑料相比,生物塑料具有良好的生物相容性和降解性,能够削减传统塑料带来的资源和环境问题[1]。


本文将从生物塑料基本概念、目前生物塑料主要应用领域、生物塑料未来发展趋势等几个方面进行论述,以飨读者。


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生物塑料简介及分类


国内对于生物塑料的研究虽然已经进行了多年,但是业内尚未有明确的定义。目前世界范围内比较认可的定义是欧洲生物塑料协会给出的四象限定义:生物塑料是“生物基塑料”和“生物降解塑料”的统称,满足“生物基”或者“可以生物降解”特性中至少一个,即可认为是生物塑料。两者具体定义如下[2]:


◆生物基塑料:与传统塑料使用化石碳不同,生物基聚合物使用来源于可再生资源的碳,例如糖、淀粉、植物油、纤维素等。其中,玉米、土豆、甘蔗、谷物、木材是使用最普遍的原料。可以用ASTMD6866测定出产品中可再生的碳的比例。并不是所有的生物基塑料都是可降解和可堆肥的,它也可以是非生物降解的。


◆生物降解塑料和可堆肥塑料:满足所有关于塑料和塑料产品的生物降解性能和可堆肥性能的科学公认规范标准的生物降解聚合物。一般在欧洲指EN13432标准,在美国指ASTMD6400标准,其它国家指ISO17088标准。并不是所有的生物降解塑料和可堆肥塑料都是来源于可再生资源,其来源也可以是石油。


基于以上四象限定义,塑料可以被分为四种:


◆非生物基(石油基)不可降解塑料:一般的传统塑料,比如聚乙烯、聚苯乙烯、ABS、聚碳酸酯等。


◆非生物基可降解塑料:来自于石油,但是可以被降解。产业化基本就两种:PBAT(聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯)、PCL(聚己内酯)。


◆生物基不可降解塑料:原料来自于生物质,但成分和传统塑料一样,比如生物聚乙烯、生物PET。


◆生物基可降解塑料:同时满足生物基和生物可降解两种特性,如PLA(聚乳酸)、PHA(聚羟基脂肪酸酯)、PBS(聚丁二酸丁二醇酯)、淀粉基材料。


在上述提及的生物塑料中,淀粉基生物降解塑料、聚乳酸、聚羟基脂肪酸酯、聚丁二酸丁二醇酯是当前国内外研究和开发最多、技术相对成熟、产业化规模最大的生物降解塑料,也是进入市场最早和目前市场消费的主要品种,因此,可以认为是当前生物降解塑料发展的四大主流技术[2]。


生物塑料的应用领域


食品包装领域


在柏林举行的第14届欧洲生物塑料研讨会上,欧洲生物塑料的年度市场数据更新结果证实了全球生物塑料行业的蓬勃发展。全球生物塑料产能预计将从2019年的210万吨增至2024年的240万吨。数据指出,包装仍然是生物塑料最大的应用领域,2019年占生物塑料总市场的53%(114万吨)。其中食品包装领域对生物降解塑料需求增长较快,一次性餐具、食品包装及塑料袋是生物降解塑料最大的终端市场,也是推动生物降解塑料市场需求增长的重要引擎之一。


NatureWorks公司通过提取植物糖分,采用发酵、分离和聚合工艺,制造了100%来自天然的、具有优异加工性能的IngeoPLA。目前,Ingeo在功能性薄膜上的应用已经取得突破性发展。NatureWorks公司与意大利Metalvuoto公司共同开发的IngeoPropylester®高阻隔性生物基软包装薄膜,是以Ingeo聚乳酸为基材的新一代高阻隔性软包装,专为长货架保质期的食品包装设计。Metalvuoto公司通过将其最新的Oxaqua涂层技术施加在Ingeo薄膜上,即可以用一层膜代替一般的两层膜提供更好的阻氧性和热封性能。并且,IngeoPropylester®薄膜可以通过堆肥降解,且符合可回收纸的ATICELCAMC501/13标准[3]。


除普通的生物塑料食品包装外,如今还有生物可食性塑料包装。据了解,这种包装以天然可食性物质为原料(如多糖、蛋白质等),可食性塑料包装膜通过不同分子之间相互作用而形成的具有多孔网络结构的塑料薄膜。壳聚糖可食性包装膜、玉米蛋白质包装膜、改性纤维素可食性包装膜及复合型可食包装膜等都属于多孔网络结构的塑料薄膜。可食性塑料薄膜应用于各种即食性食品的内包装,在食品行业具有巨大的市场。


物流包装领域


由塑料制成的快递、外卖及快餐封装是造成“白色污染”的重要原因之一。这些封装的包装特点是一次性包装,扯封后任意丢弃多,严重污染环境。生物基可降解塑料薄膜的周期寿命特征就可很好解决物流一次性包装的后续处理问题,生物基可降解包装膜取代石油基塑料包装膜是物流领域保护生态环境可持续发展的必然趋势。


国家质检总局、国家标准委发布的新版《快递封装用品》系列国家标准于2018年9月1日起实施。其中,首次明确提出“快递包装袋宜采用生物降解塑料”,并相应增加了生物分解性能要求等。如京东、顺丰、菜鸟网络等快递行业的龙头企业,都逐渐用生物降解塑料袋取代普通的塑料制品,其原料主要是来源于工业淀粉以及植物纤维,据相关数据表明,这些塑料袋可以在六个月之内自行进行降解,在污染方面比普通的塑料袋要低上很多。


地膜领域


地膜是一次性使用品,难以回收且无回收价值。长期以来,不能生物降解的PE地膜占地膜比在95%以上。生物基降解塑料地膜使用过程中性能稳定,能在1-2个植物生长周期内完全被微生物或动植物体内的酶最终分解为二氧化碳和水,具有良好的生物相容性和生物可吸收性,解决了世界性的地膜污染生态环境的大难题[3]。


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但在全球50亿公顷的农业面积中,应用生物塑料地膜面积仅占约0.01%。生物基降解塑料地膜替代不能降解的PE膜是解决残膜污染的重要措施,也是治理农田“白色污染”最便捷有效的绿色方法。


不过由于农作物品种繁多,播种期及生长期各不相同,因此对地膜的性能及规格的要求也各不相同。因地制宜根据农作物种类、气候实际开发功能化生物塑料地膜,创新应用技术,是改善地膜污染问题的重要举措。


具体看生物塑料地膜在我国的发展,农业地膜这一应用场景被业界一直看好。如2016年,中央财政安排10亿元资金,在全国10个省(区)探索地膜污染防治方法。今年来政府密集发文,规范化农业地膜的使用,同时给予一定的补贴用于推广可降解的生物塑料地膜。


然而,农业地膜在我国被广泛推广仍然需要克服许多挑战,如PBAT地膜成本仍然高于PE成本(前者约为后者的3倍)和技术障碍(地膜的拉伸强度、土壤中降解时间控制,等等)。因此,生物塑料地膜的有效推广离不开农户、地膜生厂商和政府三方的共同努力[4]。


医疗领域


生物自毁塑料在医疗领域有广阔的应用空间。生物自毁塑料是指可以自行分解的自毁或自溶塑料。目前已经制备出超高分子量的生物可降解聚乳酸(PDLLA)材料和具有特定组成和结构、降解速度可控的PLA及共聚物。


采用生物材料制作的手术缝合线可以被人体吸收,免去了病人术后拆线的二次痛苦;在骨折手术中,它可以充当骨骼间的承托物,随着骨骼的愈合,它也会逐渐自行分解;用生物自毁塑料制成的药用胶囊,在体内会慢慢溶解,并且可控制药物进入血管的速度。蛋白质(如蛋白和乳清)分子是天然高分子产物,由蛋白质制备的生物塑料不但和人体组织之间具有显著的生物相容性,而且具有抗菌性能,制备出的乳清蛋白甘油混合生物塑料,有望在生物医疗领域发挥巨大作用。大豆蛋白与水性聚氨酯(WPU)共混后制膜,有作为生物医学材料的潜力[3]。


近年来,聚乙醇酸(PGA)、脂肪族聚酯(PCL)等新型石油基可降解塑料,成为日美等发达国家逐鹿的新领域。其中,PGA产品由于具有较好的气体阻隔性、生物相容性和可降解性,在医用缝合线、组织修复等领域具有较好的应用前景。


汽车领域


近年来,根据汽车市场的需求,全球大型汽车生产厂以及材料供应商也纷纷加大了对生物基可降解塑料的研发投入,开发具有可降解特性的汽车零部件。奔驰、奥迪、丰田、宝马等汽车生产企业均有采用生物基可降解塑料制备汽车零部件的车型发布。


目前汽车行业应用较多的生物基可降解塑料包括聚乳酸(PLA)、聚羟基脂肪酸类高分子(PHAs)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)等,这些材料在国内外开发程度较高,有些已达到产业化规模。


PLA在汽车上的应用,国外起步早,技术相对成熟,改性PLA在汽车领域的应用相对领先,而随着国内环保意识的提高,材料企业也开始加大对车用改性PLA的研究开发与应用工作,目前PLA主要应用于汽车装饰件中,随着塑料改性技术的发展,PLA在汽车领域的应用会更加广泛。


PHAs不仅具有传统高分子材料的力学性能,还兼具优异的可降解性和生物相容性,常用的有聚3-羟基丁酸酯(PHB)、聚3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯共聚物(PHBV)、聚3-羟基丁酸酯和3-羟基己酸酯共聚物(PHBH)等。目前关于PHAs在汽车行业的应用,主要是以纺织品形式使用,如用作汽车脚垫。根据其应用形式,未来将在低VOC、低气味、抗静电、阻燃、表面改性及力学性能提升等方面进行改性,进一步推广PHAs在汽车行业的应用。


目前PBS主要应用于包装材料、农膜产品、纺织品、医用制品等领域。据统计机构预测,全球约有10%的PBS将应用于汽车行业,是一个值得关注的市场。PBS具有优异的可降解性、良好的加工性、染色性,但也存在熔体强度低、力学性能和耐热性能差等问题。通过共聚、共混、与纳米材料复合等方法改性,可以大幅提升PBS的综合性能,拓宽应用领域,甚至可以替代聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚丙烯。目前PBS在汽车上的应用还比较少,但改性研究很多,纳米材料改性、阻燃改性等将进一步拓展其在汽车行业的应用[3]。


其他生物塑料在汽车上的应用也逐渐广泛。如日本汽车零部件供应商DensoCorp使用蓖麻油的聚氨酯和淀粉制成的聚碳酸酯:用蓖麻油制成的耐热聚氨酯树脂能够作为汽车废弃传感器中连接器的保护装置,能承受150℃高温,显著减少融化或者成型时产生的其体量;用淀粉制成的PC不仅其表面具有较高的硬度,而且与传统材料相比,其光学特性和水稳定性也更加优越。丰田汽车公司也在其导航系统的斜垫面中使用Denso的材料。


日本汽车生产商马自达在其车型RoadstarRF外饰零件上采用来自三菱化工的一种由植物异山梨醇制作而成的透明Durabio生物工程塑料,该款汽车在2016年12月上市。Durabio生物工程塑料具有PC和PMMA树脂的大部分特性,其他优势还包括:易于着色,和颜料混合打造光滑、高反光和色彩层次丰富的表面,以及耐用和耐磨性。


杜邦从植物提炼出来的新型材料Zytel610尼龙树脂,具有极强的耐热、耐盐(氯化钙)腐蚀性能及持久性,创新应用于发动机周边关键零件。大豆基聚氨酯正在被用作汽车座椅垫的填充材料,而混合大豆油树脂混合料也被包括福特在内的众多汽车制造商用在聚氨酯泡沫座位中。Dytech动力流体技术公司选择帝斯曼的高性能EcoPaXX生物基聚酰胺410系列产品应用于其所生产的法拉利与玛莎拉蒂跑车专用油气分离器。


生物塑料发展趋势


与塑料大行业全球接近4亿吨的产能相比,生物塑料作为新兴行业其产能依然较小。据统计,全球生物塑料产能占整个塑料行业份额的小于1%,约为210万吨。其中生物基不可降解塑料约占57%,可降解塑料约占43%[4]。


近两年生物降解塑料市场产能增长较快的种类分别为PBAT、PLA和淀粉基塑料。其中PLA是一种应用广泛的材料,具有优异的阻隔性能,高性能的PLA是PS(聚苯乙烯)、PP(聚丙烯)的绝佳替代品,未来需求量将快速增长。


近年来,欧、美、日等发达国家和地区相继制订和出台了有关法规,通过局部禁用、限用、强制收集以及收取污染税等措施限制不可降解塑料的使用,大力发展全生物降解新材料,以保护环境、保护土壤。2019年至2020年,亚洲地区多个国家发布了限塑政策,包括中国、巴基斯坦、印度、菲律宾、泰国、阿尔及利亚等国家,未来一段时期,亚洲地区生物降解塑料需求量将快速增长,有望取代欧洲成为生物降解塑料最大消费市场。与此同时,目前有超过45%的生物塑料都在亚洲生产,亚洲仍然是主要的生产中心,有四分之一的生产能力在欧洲,这一份额预计到2024年将增长至30%。


具体看生物塑料在我国的发展,我国近年来愈发关注传统塑料的污染治理问题,2020年1月,发改委、生态环境部出台《进一步加强塑料污染治理的意见》,可视为新版“限塑令”,这将从政策层面将生物塑料行业推向新的阶段,未来发展可期。当前行业发展的主要驱动因素有[4]:


◆内部因素:由于技术逐步成熟,生物塑料的性能近年来大幅提升,部分材料如PLA与传统塑料相比差距明显缩小,逐步引起下游客户的关注。


◆外部因素:主要来自于政府部门的政策推动,消费者日益增长的环保意识以及品牌商(如消费品、汽车、零售行业公司等)逐步提升的企业社会责任。


根据卓韬研究的模型估计及业内的专家调研,我国2019年生物塑料整体市场规模约为20万吨,2019-2025年预计年复合增长率达10%,预计2025年达到38万吨。


结语


生物塑料因其绿色、环保、可再生、易降解的优势,成为取代传统石油基塑料的新宠。随着人类对生物塑料需求的增加、生物塑料新产品的成功研制、应用范围的细化以及产能的不断增长,生物塑料将会迎来强劲增长,生物塑料工业必将进一步走向全球化。我们拭目以待。


参考文献:


[1]朱李子,马晓军.生物可降解塑料P34HB的改性研究进展[J].上海包装,2018,(04):42-45.


[2]李祖义.生物塑料引领塑料产业新方向[J].工业微生物,2019,49(4):56-63.


[3]张友根.浅析生物塑料工程的技术创新和进展[J].橡塑技术与装备,2018,44(12):20-24.[4]刘磊.中国生物塑料行业深度研究分享[EB/OL].2020-05-31.


(部分信息来源于网络)





本刊特约编辑组稿:王荣


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