生物基塑料： 拯救地球的绿色方案or商业噱头？

当今社会有种共识，即石油并非取之不尽、用之不竭的资源，而且它的价格正变得越来越昂贵。另外，石油产品（包括塑料）的燃烧对全球变暖和气候变化有影响。与采用传统化石原料的塑料材料相比，生物基塑料（bio-based plastics）是由可再生的生物资源并通过化学合成工艺生产制造而成，这些生物资源可包括玉米、马铃薯淀粉、木薯淀粉、植物油、甘蔗淀粉和木浆或纤维素，以及其他相对可持续的原料。由这种材料加工成的制品在适当的应用领域和设有工业堆肥设备的地方，可被微生物完全降解为二氧化碳和水，成为土壤和植物的肥料，是代替传统化石基塑料的一种更可持续的绿色方案，降低了人类对石化资源的依赖。

标题图：© 互联网

例如，化石基的高密度和低密度聚乙烯（HDPE、LDPE）、聚苯乙烯（PS）和PET可以被生物基的聚乳酸（PLA）替代，PLA是首批商业化的生物树脂之一，其原料选择包括玉米、木薯和甘蔗。聚乙烯（PE）可以被聚羟基丁酸酯 (PHB) 或聚羟基烷酸酯 (PHA) 替代，后两者是市场上相对较新的树脂，可由玉米、木薯淀粉、马铃薯淀粉或植物油制成。这些生物树脂有更多的加工选择，注塑、挤出、吹塑皆宜，并且可以提供可堆肥性。如今，许多注塑而成的聚丙烯 (PP)部件都可以用木浆制成的纤维素树脂替代。

生物基塑料的创新应用

生物基塑料作为一种具有环保、可再生特点的耀眼材料新星，已在多个领域拥有广泛的应用。在今年的Chinaplas展会上，生物基材料也大放异彩，一众知名企业携其创新生物基解决方案亮相。

PLA行业先行者——NatureWorks公司自2002年就在美国商业化生产生物可降解聚乳酸Ingeo™，广泛应用于包装以及纤维领域，成为闻名业界的标志性产品。该公司在Chinaplas上向观众展现如何通过定制Ingeo PLA材料，赋予产品关键性能，包括阻隔性、耐热和抗冲性、热成型性等，同时满足循环生物经济的要求。如，采用新一代Ingeo PLA材料制造的茶包和咖啡胶囊，可提高饮料的味道和香气，同时又具备堆肥降解性，促进饮用后的咖啡渣和茶叶中的有机物的循环使用；而由Ingeo PLA制成的薄膜，还可用作奢侈品和食品包装透明覆膜，具有优秀的光学性能和收缩性能、良好的机械加工性能等。在家电方面，Ingeo PLA材料不仅有助于减少碳足迹，使用基于Ingeo PLA材料的冰箱内胆，与目前常用的高抗冲性聚苯乙烯HIPS材料相比，由于发泡隔热性的衰减程度不同，在冰箱的使用寿命期间，每年可减少能耗7-15%；Ingeo PLA基的电商用胶带和保护填充料，则为电子商务包装和快递袋提供了低碳创新方案。

图1：© 巴斯夫

巴斯夫（BASF）公司展示了采用生物基聚酰胺Ultramid®制作，与华为公司共同打造的智能眼镜镜脚产品，其生物基含量达到39%，与远炬公司协力开发的漂浮太阳镜框架其生物基含量达到30%。巴斯夫在现场还展示了含生物基Elastollan®TPU的鞋大底（见图1），耐磨性极佳。

阿科玛（Arkema）公司推出了Rilsan® PA11这一100%源于蓖麻的生物基循环再生材料，不仅有效降低了碳排放，还因其韧性、耐水解性能等特点，被广泛应用于新能源动力系统中的波纹管、光管挤出及电池冷却水管中。此外，RILSAN® PA11在网球拍护线管的应用中，也因其出色的机械阻力、持久弹性和冲击强度而备受瞩目。同时，阿科玛还推出了生物基含量达50%的Rilsan® FX 88材料，具有抗乙醇、流动性好和高模量等特点，为各行各业提供更为环保且高效的解决方案。

图2：© 恩骅力

全球工程材料解决方案供应商恩骅力（Envalior）由高度互补的帝斯曼工程材料和朗盛高性能材料组成。在首次亮相Chinaplas时，展示了其在各个应用领域的最新创新成果，其中就包括采用低密度EcoPaXX®高生物基材料的飞行相机解决方案（见图2），引领可持续性新体验，促进绿色消费理念。生物基EcoPaXX®性能优良，既有传统脂族聚酰胺机械性能的硬度和韧性，又有长链聚酰胺低吸水性、耐化学性、耐水解性以及热稳定性的典型性能。EcoPaXX® PA410也是可持续的代表，主要采用植物源1,10-癸二酸，源于蓖麻酸，是菎麻油的主要成分。EcoPaXX® PA410适合采用注塑、吹塑和挤出等工艺进行加工，并结合了长链、短链尼龙的综合优势，让优异性能和低碳环保两全其美，非常适合应用于食品接触类产品的生产和加工。

Neste作为全球最大的可再生柴油、可持续航空燃料以及为聚合物和化学品提供可再生原料的生产商，携手合作伙伴带来由可再生与可回收塑料原料Neste RETM生产的塑料制品。Neste RETM是将废弃和残余的食用油和油脂等生物基材料，通过化学回收技术生产而成。相较于使用传统化石原料，使用可再生的Neste RETM，可使塑料的全生命周期碳足迹减少85%以上，还有助于推动循环经济。目前，Neste RETM已成功应用于尿布、导液管、杯具、咖啡胶囊、食品包装、橡胶奶嘴和婴儿车等产品。

图3：© 艾曼斯

艾曼斯（EMS）公司展出了采用生物基PA10T材料制成的眼镜框（见图3）。同时，该公司与法国阿雷蒙集团合作，共同推出了一款电池包快速更换模组解决方案，采用了艾曼斯生产的低碳生物基环保材料——Grivory HT3长碳链PPA，具有优异的尺寸稳定性、均衡的机械强度和柔韧性，并且具备UL94 V0 0.4 mm的阻燃等级。

万华化学推出的生物基聚氨酯鞋垫解决方案WANELAST® 893/WANNATE® 8618X，是基于低碳产业链资源和生物基一体化平台，采用碳足迹更低的绿色原料，生物基含量达29%。该产品密度约0.3 g/cc，弹性相比传统生物基产品提高了28%；气味等级由传统生物基产品的4.0降低至3.5；TVOC降低38%；50%的压缩形变（50℃，6h）较普通鞋垫产品降低72%，较传统生物基产品降低51%，持久耐用。
 
挑战与应对

尽管生物基塑料绿色环保优势明显，但其在市场中的应用并未达到业界所预期的普及程度，乃至被一些人认为只是一种商业噱头。究其原因，还颇有点复杂，需要掰开来聊一聊。

◆ 成本问题：生产生物基塑料需要投入更多的资源和能源，且目前生物基塑料的生产规模较小，未能实现规模经济的成本优势，因此生物基塑料的生产成本相对较高，市场价格高于传统塑料。材料太贵了，自然对于许多应用来说就缺乏了吸引力。通过加大研发投入，促进技术创新，以此降低生产成本和提高生产效率，这是增强生物基塑料在市场上竞争力的关键所在。

还是以NatureWorks公司为例，其研发团队一直与客户一起，了解他们的需求，探索新的想法、挖掘新的性能、开发更多应用，同时也在不断进行创新，包括研究如何跳过植物，利用微生物将温室气体直接转化为乳酸的新技术。笔者不禁要感叹一句：脑洞真大！

◆ 性能限制：“最大的确定性就是不确定性”！任何一种新材料都会带来未知的不确定因素，特别是在性能方面。传统塑料在耐热、耐化学性、强度等方面具有较好的性能，生物基塑料则相形见绌，在产品保存、寿命、安全性和其他关键指标方面可能不如传统材料。这使得生物基塑料在某些性能要求较高的应用领域并无法完全替代PP和PE这些传统塑料，难以满足更多应用场景的需求，这是生物基塑料在市场推广中的难点。需要解决这些未知因素，提升生物基塑料的性能，确保您选择的生物树脂符合您推向市场的产品的要求，才能成功应用生物树脂。

图4：用PLA/aPHA混合物制成的化妆品盒等注塑部件 © 互联网

例如，近年来，PLA的采用量显著增长，但与传统石油基聚合物相比，其部分缺点（包括断裂伸长率低和脆性）限制了应用范围。绝大多数商超所提供的PLA可降解购物袋并不受人待见即是很扎心的明证，价贵（最便宜的也要五毛钱）和不耐拉易破损正是两宗罪。借助改性方法，在PLA等脆性聚合物中混合无定形聚羟基脂肪酸酯(aPHA)，可提高制品的机械性能（见图4）。

◆ 回收处理问题：生物基塑料的可降解性给回收处理带来了一定的困扰。传统的塑料回收方法可能不适用于生物基塑料，开发新的合适的回收技术和工艺，提高回收率，降低处理成本。为了实现生物基塑料的可持续发展，需要针对生物基塑料的特点，建立有效的回收体系至关重要。这不仅包括物理回收，还包括化学回收，以实现生物基塑料的闭环循环利用。

◆ 消费市场认知度：消费者的认知在很大程度上影响着他们的购买行为，这符合心理学中的认知一致性理论。消费者和部分企业对生物基塑料的认知度不高，对它们的环保优势和应用场景了解不足。由于成本以及独特且通常困难的加工特性，人们对生物塑料存在疑虑、误解甚至抵制，这限制了生物基塑料市场的拓展。

其实，如今的消费者希望他们购买的产品及其包装满足环保要求和规范，而生物树脂恰好源于相对可持续性的材料，并可通过相关工艺成为可生物降解的材质，因此务必加大宣传力度，加强市场“教育”，提高广大消费者和加工企业对生物基塑料是对地球环境大有裨益的安全选择的认知，有利于市场需求的扩大。

另外，ESG（环境、社会和治理）举措是生物基塑料推广的一个重要驱动力，品牌商和塑料成型加工厂商面临被要求采用ESG战略的压力山大。在塑料产品和包装中使用生物树脂可以帮助他们实现其ESG目标，并向消费者秀一秀：他们正在为环境尽着自己的一份绵薄之力！

◆ 政策支持：相较于传统塑料，生物基塑料在政策支持方面力度较小，如税收优惠、补贴等，这使得生物基塑料的发展受到一定程度的制约。政府应加大对生物基塑料产业的政策扶持力度，例如支持生物基材料企业与塑料制品、纺织纤维、医疗器械等下游重点企业搭建上下游合作平台，鼓励可生物降解产品在餐饮、物流、零售、酒店等领域应用，科学推广生物降解地膜和滴灌管具等，推动产业链的完善和发展。

不得不承认，生物基塑料应用的最大也是最终驱动力还是来自于立法！新的立法和法规正在向制造商施加压力，要求其减少消费后废物和塑料污染。例如，从立法角度来看，我国已经出台了一系列相关政策文件，如《关于进一步加强塑料污染治理的意见》、《关于加快建立绿色生产和消费体系的指导意见》等，要求制造商和生产商减少塑料废物的产生，提高塑料制品的回收率，并推动生物基塑料等环保材料的应用。我国推动垃圾分类的实施，这不仅有助于提高塑料废物的回收率，也为生物基塑料的应用提供了原材料。而在全球范围，2021 年 7 月，欧盟委员会实施了新法律，禁止或限制使用由化石燃料聚合物制成的一次性产品。

图5：© 互联网

未来可期

PLA等生物基材料的成本持续下降、性能不断提高，对传统石化材料的竞争力不断增强（见图5）。一些全球品牌已经在扩大其原料组合，除了化石来源之外，还包括可再生碳源，特别是生物质，从而增加了对生物基和可生物降解聚合物的需求。世界各国纷纷制定相关法律法规促进它的发展和使用，生物基材料的应用正在从高端功能性材料和医用材料领域，逐步向大宗工业材料和生活消费品领域转移，在日用塑料制品、农用地膜、化纤服装等方面逐渐实现规模化应用。德国私人研究机构Nova Institute今年初发布了一份报告，预测生物基聚合物产能将以令人印象深刻的速度持续增长：2023年生物基聚合物总产量为440万吨，约为化石基聚合物总产量的1%。预计2023-2028的五年里将复合年增长17%，明显高于聚合物市场2-3%的整体增长率。该研究机构表示，亚洲和美国的需求正在推动增长，而欧洲的需求则滞后。

随着前文提及的技术创新、政策支持、市场驱动和社会认知等条件的逐步满足，生物基塑料将会有着更为广阔的应用前景，有望在未来的全球塑料市场中占据一席之地。

文/王平

来源：荣格-《国际塑料商情》

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