生物基高分子材料将走向何方？

生物基高分子材料的发展现状

近几年来，在各国政府和相关企业的积极努力下，生物基高分子材料取得了长足发展，商业化推进开始加速。目前生物基高分子材料研究领域主要涉及热塑性高分子、热固性高分子、黏合剂、塑料助剂四大领域，主要应用于塑料、纤维、发泡、复合材料、医用材料、胶黏剂、涂料等产业。

经过多年发展，虽然目前与塑料消耗总量相比，生物基材料所占比例尚不足2%，但从2009年到2013年，其全球使用量每年以34％的速度递增。由此可见，该产业市场增长空间巨大。

日本生物降解塑料研究会的资料显示，2002年日本生物降解塑料生产量约1万吨，2003年约2万吨，2005年约4万吨，到2010年达到20万吨左右。欧洲生物塑料协会2001年的数字资料显示，欧盟可生物降解产品的用量为2.5～3万吨，而传统聚合物的用量高达3500万吨；2010年传统聚合物的用量达到5500万吨，而生物降解塑料的用量达到100万吨，可生物降解材料最终占据10%的市场份额。在生物降解材料中，原料采用可再生资源的比例将占到90%以上。2018年全球生物基材料产能将跃升至740万吨以上。

由于石油危机以及不断提高的环保要求，与国际上大多数国家一样，我国政府和各种投资机构也加大了对环境友好材料的投入，特别是用可再生原料通过生物转化获得生物高分子材料或者单体，然后进一步开发各种应用产品。在聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二酯(PBS)、生物聚乙烯(PE)、生物尼龙(PTT)、生物导电材料和聚氨基酸等材料方面，我国取得了长足的进步，同时形成了一批有影响力的企业。在特种高分子材料方面，我国高校和企业合作，利用微生物转化得到了以苯环为基本结构的单体，正在开发一系列含苯的高性能材料。可以认为，在生物材料制造领域，我国与世界先进水平的差距不大，甚至在某些方面是领先的。

生物产业作为战略新兴产业的重要板块，国家制造强国建设战略咨询委员会特别组织编制了十大重点领域的发展趋势、发展重点，引导企业的创新活动，其中提到与生物基高分子材料直接相关的项目如下：

生物基合成材料

重点突破生物基橡胶合成技术，生物基芳烃合成技术，生物基尼龙制备关键技术，新型生物基增塑剂合成及应用关键技术，生物基聚氨酯制备关键技术，生物基聚酯制备关键技术，生物法制备基础化工原料关键基础技术等。

生物基轻工材料

重点发展聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二酯(PBS)、聚对苯二甲酸二元醇酯(PET、PTT)、聚羟基烷酸(PHA)、聚酰胺(PA)等产品。 PLA关键单体L-乳酸和D-乳酸的光学纯度达99.9%以上，成本下降20%;PBS关键单体生物基丁二酸、1，4-丁二醇提高生物转化率达 5-10%；PTT关键单体1，3-丙二醇以木薯淀粉、甘油等非粮原料发酵生产，PTT纤维聚合纺丝实现产业化；PA关键单体戊二胺硫酸盐成品纯度高于 99%，成本下降20%。

生物基高分子材料的发展趋势

标准化

对于产品标准流行着这样一句话：一流企业订标准，二流企业钻技术，三流企业买技术用标准。即便产品技术含金量相当高，甚至达到国内外一流水平，由于核心技术掌握不到、产品标准不是由企业制订，这样的企业仍然只能是二流甚至三流企业。例如，我国电子行业许多产品，像DVD，产品数量、质量均处于国际一流，但生产的利润不容乐观。同时，虽然生物基高分子材料应用越来越广，生产厂家也越来越多，但很多都没有对应的产品标准，结果是供需双方没有统一参照与验收产品质量的方法，很容易引起商业纠纷，对生物基高分子材料的发展不利。如此，为什么不把产品标准制订工作作为行业发展的重点呢？此外，还有一个问题也值得注意，生物基材料和产品相关标准的制定和发展仍显得有些滞后。国内外生物基材料标准以检测方法标准为主，通用性基础标准和产品标准较少。有专家建议，我国亟需自行制定生物基材料的定性定量标准，用于对国内现有的生物基复合材料产品的相关标准进行整合与修订。

加强生物基材料规范化、标准化管理，笔者建议尽快规范生物基材料的定义、范围，明确各种鼓励、支持政策等，鼓励更多的企业进入该行业，加快该产业的快速发展。同时，应组织有关专家制定相应的国家产品标准。在不具备制定国家标准条件时，可考虑定制部门标准、地方标准、行业标准或企业标准。

纳米化

纳米材料是上世记80年代发展起来的新材料，被美国材料学会称为“21世纪最有前途的材料”，它是由金属氧化物、无机非金属或聚合物的纳米级颗粒及它们的凝聚态固体和复合体组成。目前非金属矿物原料制取纳米矿物材料主要有四大类:A. 天然纳米矿物材料:许多非金属矿物具有纳米材料特性，如石墨、蛋白石、沸石、海气石等，被称之为天然纳米矿物材料。B. 改性纳米矿物材料:利用非金属矿物的纳米属性将非金属矿物经物理或化学方法加工后，制成具有一定性能和用途的纳米材料，例如膨润土经提纯、改牲和分散处理后获得的纳米蒙脱石。C. 合成纳米矿物材料：利用非金属矿物的成份、结构、形成条件等，通过物理或化学方法加工后，制成具有一定性能和用途的纳米矿物材料，合成纳米矿物材料与天然矿物的成份、结构和性能几乎相同，但成份更纯，性能更为优良。典型的例子是纳米碳酸钙。在聚丙烯或高密度聚乙烯纳米碳酸钙体系中，采用适当分散处理方法，使纳米碳酸钙含量仅3～4％，而塑料产品的冲击强度提高了4倍。可见纳米化填料在生物基高分子材料中增强改性，前途一片光明。

材料技术先进和特色化

目前以淀粉、纤维素、木质素为代表的生物基高分子的改性技术大多以破坏大分子链段、降低聚合度为目的，这就造成了生物基材料某些天然性能的丧失，如用于淀粉塑化的多为直链淀粉，而支链淀粉通常之前需断链；纤维用的淀粉对淀粉中直链含量的要求更为严格；纤维素的共混改性多使用短链纤维素或者微晶纤维素；木质素的橡胶增强作用更多是以降低木质素分子量来达到组成的互容性。虽然上述原料的制备和使用已能够体现生物质高分子材料特有的性能，但并没有充分发挥这类材料应有的潜力。笔者认为应该通过以下途径来改善生物基高分子的发展空间：

（1）发生物质的高品质原料获取技术是实现性能优良且价格低廉的生物基高分子材料全面走向产业化的途径之一。

（2）工程手段制备的细菌纤维素比由植物得到的纤维素具有更高的分子量、结晶度、纤维簇和纤维素含量，而且独特纳米结构赋予了诸多优良性能，有望在造纸、仿生、电子以及生物医药等多个领域得到应用。

（3）以降解速率控制的生物质塑料的研发。

因为不同的领域对材料的降解速率有不同的要求，所以要解决降解材料的降解控制问题。例如，生物医学上要求降解比较快，而包装材料则要求有一定的使用时间。在我国目前开发的降解塑料中，除完全生物降解塑料外，均属短期内不能完全降解的塑料。可控的降解塑料要求在使用周期内能够保持稳定的性能，而在使用完后能够迅速分解。目前在控制降解时间方面，更多研究集中于提高降解速率，已形成较成熟的技术；但在如何有效控制使用时间方面仍处于探索阶段。通过分子设计研究和精细分子合成技术，不断改进配方，可保证产品在一定时间内的使用性能，但同时又能根据不同的需要控制产品的使用周期。农用薄膜是这方面最典型的应用，理想的农膜在实施农作物的覆盖、保温等功能时，应该是稳定有效的，而实施结束后，应能立即分解。

生物材料制成的各种塑料产品

目前改性后的生物质材料大多可采用挤出、注塑等加工成型，但工艺复杂，而且加工过程有降解产生。开发具有特色的加工、注塑技术，不仅能减低聚合物的成本，而且能改进聚合物的有关性能。采取剪切控制定位注塑技术制备的淀粉/乙二醇和通常制膜法制成的膜相比具有好的机械性能，其生物降解性较未经剪切控制定位注塑的混合物要好。光散射技术能从平行、垂直等方向调整剪切强度和剪切率，从而有目的地改善聚合单体间的相融性，提高加工性能。真空热处理过的聚乳酸-淀粉/纤维素复合材料具有更高的机械性能和降解性质。应用酶工程等生物技术开发环保型绿色纤维素材料，将使生物材料的绿色加工利用成为可能。

生物基高分子复合材料多元化

单一组成的生物基高分子材料均无法满足实际应用的需要，必须利用高分子改性及复合技术，才可开发出性能优良且价格低廉的生物降解高分子材料，这也是当前实现生物降解材料产业化较为实际的途径。目前广泛应用的木塑复合材料是利用废弃的林产品和农业剩余物、废弃塑料等复合而成的兼具木材和塑料的优良性能的新型生物质材料。可降解生物基复合材料的开发要基于两点：一是利用物性互补合成新聚合物，根据聚合单体生物降解性、熔点、硬度、水解性能等的不同，进行适当配聚。淀粉可生物降解，但不宜加工、耐水性差；相反，聚烯烃、聚酯力学性能好，抗水性强，但生物降解性差。将两者合成，可改善共聚物的性能。二是通过控制聚合物相态和分散态改变其物性和降解性，将非生物降解性的通用塑料很细地分散于具有生物降解性的生物质中，可制得具有生物降解性的共混物。例如在丙烯酸接枝PLA和淀粉混融中，淀粉作为连续相，丙烯酸接枝PLA为分散相，复合物相容性好，拉伸强度和断裂伸长率得到了显著提升。

生物基医用高分子材料仿生化

生物基医用高分子的发展巳有50多年的历史，其应用领域已渗透到整个医学领域，取得的成果是十分喜人，但距离随心所欲地使用生物基高分子材料及其产品人工脏器来植换人体的病变脏器尚很远很远，因此尚需作深入的研究探索。就目前来说，生物基医用高分子将在以下几个方面进行深入的研究：（1）人工脏器的生物功能化、小型化、体植化。（2）高抗血栓性材料的研制。（3）发展新型生物基医用高分子材料。（4）推广生物基医用高分子的临床应用。

生物基高分子材料虽然不是万能的，但通过分子设计的途径，合成出具有生物医学功能的理想生物基医用高分子材料的前景十分广阔。有人预计，生物基医用高分子将在本世纪进入一个全新的时代。除了大脑之外，人体的所有部位和脏器都可以用生物基高分子材料或者其它高分子材料来取代。仿生人也将比想象中更快地来到世上。

创新化

生物基高分子材料作为降解塑料制品的不可或缺的原材料，生产企业要拓展市场空间。据用户要求，舍得投入资金、人力、物力，着重加大科研投入，努力提高产品科技含量，特别是在汽车、家电、装饰材料、办公用品、生活用品、医疗卫生器械及机械零件等方面，寻找新的应用领域，开发新的高附加值产品，尽快走出低档、价廉的重复建设误区。

生物基高分子材料基本满足国民经济社会发展和国际市场需求是历史的必然，快速发展、开发一批具有自主知识产权的新型生物基高分子材料产品非常有必要。

种植化

考虑到粮食战略安全因素，我国不可能大量利用粮食作物、油料作物、糖料作物作为原材料生产生物基材料。解决生物基原料问题主要有两种途径：一是进口，二是利用除粮食、油料、糖料作物以外的生物质，即木质纤维素类的生物质，包括农业废弃物，例如各类秸秆、林业废弃物、城市绿化植物冬季修剪的各类废弃物、落叶等；再就是种植各类能源植物。我国若进口大量原料，必然导致国际市场价格大幅上扬，依靠进口不可能作为生物基材料来源的主要途径。而利用各类农林业废弃物作为生物质材料，虽然理论上有其优势，可在实践中却面临搜集不易、成本高昂、质量参差不齐、原料的工业性状不佳、加工过程成本高等诸多难题。

因此，建立大规模的生物质原料种植基地以解决原料需求显得十分必要。据了解，高能植物具有不占地、产量高、多年生、栽培容易、无病虫害等优点，同时工业性状优良，大规模种植后便于收集，是一种很好的生物基原料。建议在我国沿海滩涂围垦地、南方低丘缓坡、各类荒滩、边角地大量种植，还可在国外建立廉价的生物质原料基地。

生物基高分子材料优秀品牌化

在市场充满各种各样的山寨品、劣质品的今天，打造中国生物基高分子材料的优秀品牌的重要性在于：“拥有市场比拥有工厂更为重要，而拥有市场的唯一手段是拥有占统治地位的品牌”，美国营销专家拉里•莱特这样表达他对品牌的推崇。事实上，品牌是企业与消费者接触的第一个层面。成功的企业都在运用所有市场因素来构建卓越品牌形象，从而获得成功。品牌不仅仅作用于市场，它还是企业资产的重要组成部分和凝聚员工精神的灯塔。品牌是企业产品质量和服务的特有标志，同时也是企业的一种承诺，包含了企业文化、形象、价值、个性、经营理念、商业模式、信誉等诸多内容。对中小企业来说，通过宣传，在短时间内让消费者认同其品牌很重要，在宣传过程中要突出品牌的定位和核心价值，要找准产品与消费者之间的情感交汇点，让消费者在极短的时间内对该产品产生认知感。

近年来，我国生物基高分子材料产品企业自主创新能力和品牌建设得到了较大的提升。一些意识超前的生物基高分子材料产品生产企业纷纷运用品牌战略的利器，取得了竞争优势并逐渐发展壮大。在科技高度发达、信息快速传播的今天，产品、技术及管理诀窍等容易被对手模仿，难以成为核心专长。而品牌一旦树立，将为企业带来无法复制的巨大价值。