生物塑料制品易脆化、发黄、性能差，除了调整添加剂和加工工艺，这些细节你真的做对了吗？

长久以来，生物聚合物一直被视为实现更可持续聚合物产品的一种前景广阔的替代方案。但是，许多公司却不太愿意使用这类材料，不仅是因为其价格较高，更是由于在加工工艺和添加剂配方方面存在诸多不确定性。若能获得专业支持，生物聚合物完全可以像化石源聚合物一样得到广泛应用。

 

 

生物聚合物是提升聚合物应用可持续性的有效途径之一。使用生物聚合物有助于减少二氧化碳排放，既能赢得环保意识较强消费者的认可，又能帮助加工企业实现其可持续发展目标。但是，许多中小企业仍持观望态度，因为生物聚合物的添加剂改性要求和加工参数均不同于化石聚合物。但若经过合理选材和加工，它们不仅能成为一种可持续的材料替代方案，更能为企业开辟全新的市场和应用领域，尤其是化石聚合物面临监管限制或市场对产品提出更高环保要求时。

 

在开发初期进行细致分析对生物聚合物的应用至关重要，例如：明确终端产品需满足的机械性能和外观特性、在可加工性和使用寿命方面的要求以及是否涉及监管要求。针对生物聚合物，还需考虑产品可堆肥性是否能带来优势并值得被开发出来。基于这些分析结果，方能判断生物聚合物是否适用于目标场景，或者回收材料可否作为更合适的替代方案。

 

生物聚合物这一术语同时涵盖了生物基聚合物和可生物降解聚合物（图1）。在工业领域，对这两类聚合物进行区分至关重要。生物基聚合物完全或部分来源于可再生原料，但其本身并非一定可生物降解。例如，生物聚乙烯（bio-PE）和生物聚丙烯（bio-PP）虽是生物基材料，但其化学结构与化石基同类产品完全一致，因此不可生物降解。相反，某些化石基聚合物却能够完全生物降解。例如，聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯（PBAT）和聚己内酯（PCL）源于化石原料却具有生物可降解性。

 

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添加剂改性和加工方式的差异

目前需求旺盛的生物基聚合物包括生物基PET（bio-PET）、聚乳酸（PLA）和热塑性淀粉（TPS）（图2）。生物基PET在化学结构上与化石基PET相似，因此可在现有设备上直接加工而无需调整工艺。而PLA和TPS通常需要特定的添加剂改性，例如改善其热稳定性或防潮性能。它们的流变性能也与化石基聚合物存在差异，因此需要仔细调整加工参数，尤其是在注塑成型和挤出加工过程中。

 

 

有针对性地选择和使用添加剂：添加剂可用于改变材料柔韧性、抗紫外线性和耐热性等性能。但是，它们与生物聚合物的相互作用有时会与传统聚合物不同。由于化石基聚合物和生物基聚合物的降解过程存在差异，通常需要调整紫外线稳定剂和热稳定剂的浓度。若忽视这一点，可能导致材料脆化、泛黄或强度下降。某些传统增塑剂，如邻苯二甲酸酯，也可能在某些情况下引发不良的相互作用。虽然它们赋予化石基PE和PP弹性，但却可能破坏PLA和TPS等生物聚合物的稳定性并缩短其使用寿命。

 

此外还需要特别注意紫外线辐射和潮湿的影响，它们是导致生物聚合物材料过早老化的两个最常见原因。不过，通过添加合适的助剂可以减轻这些影响。共混也有助于实现材料稳定，例如：添加耐湿性强的聚丁二酸丁二醇酯（PBS）既可增强材料抗水性，又能提高机械稳定性，且不会影响其生物降解性。

 

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生物基添加剂的可用性

加工企业目前有大量具有生物相容性的生物基添加剂可供选择。例如，具有抗氧化功效的多酚类物质和天然紫外线吸收剂适用于紫外线防护，经过改性的接枝共聚物等抗冲击改性剂能提升材料的抗断裂性能，而甘油和柠檬酸酯等生物基增塑剂则可在保持材料稳定性的同时增强其柔韧性。如有必要，还可使用木质素系阻燃剂赋予材料阻燃特性。重点在于，不能简单地将化石基聚合物的添加剂全部照搬到生物基聚合物中，而应有针对性地进行精准调配。选择合适的添加剂体系并使其与加工工艺和材料性能相互协同是取得成功的关键因素。

 

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剪切应力的差异

控制制造工艺来适应材料：生物聚合物的加工需要精确的工艺控制，因为它们对机械应力和热应力的反应与化石基聚合物不同。这些影响会直接改变材料结构。例如，生物聚合物通常比化石基聚合物对剪切力更为敏感。在加工过程中，当平行力作用于反方向并沿某一平面使聚合物发生变形时，即会产生剪切应力。

 

使用合适的润滑剂（如金属皂和脂肪酸酯）可有效降低摩擦载荷。这类润滑剂也有生物基版本可供选择。润滑剂能改善熔体流动状态并缓解材料应力。通过调整工艺参数还可降低剪切应力。降低螺杆转速、保持均匀的温度分布以及优化输送速率等措施能有效稳定材料流动。优化的模具几何结构（如经改良的喷嘴横截面）也有助于避免压力峰值并实现温和的材料引导。通过合理的设置，通常无需对系统技术进行大规模改造即可实现稳定的生产条件。

 

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更低的加工温度

生物聚合物在加工温度方面也与化石基聚合物不同。化石基聚合物可承受高达300°C的加工温度，而生物聚合物的加工温度通常介于130至230°C之间。以TPS为例，其加工温度根据成分和添加剂的不同通常保持在130至180°C之间。较低的加工温度具有显著优势，因为生产过程所需的能耗更少。通过持续优化工艺，这种方式还能进一步降低碳足迹。

 

检查并保障储存条件：适宜的储存条件对于确保生物聚合物在加工过程中保持其理想性能至关重要。许多生物基材料对紫外线、湿度和温度极为敏感。若储存不当，其加工性能会受到影响，可能出现结块、流动性改变或颗粒残留水分增加等问题。特别是PLA和TPS等吸湿性聚合物，它们会从环境空气中吸收水分。在挤出和注塑成型过程中，可能导致气泡形成、粘度波动和机械性能下降。

 

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预干燥和储存

为避免此类问题，将生物聚合物储存在阴凉干燥处至关重要。在加工前进行针对性预干燥处理通常有助于将残留水分控制在特定范围内。根据生物聚合物的不同特征，采用特种包装或在保护性气氛中储存也是可行的方案，尤其是材料需长期保持性能稳定和可加工性时。要使生物聚合物在实践中展现卓越性能，关键在于材料、加工工艺、储存和应用场景的完美协同。因此，像Meraxis这样的分销商为加工企业提供全方位支持：从材料选型、配方研发直至批量生产。通过与加工商和供应商紧密协作，分销商专家团队共同开发了兼具技术先进性与经济可行性的解决方案。此外，他们还协助客户实现特定颜色色调的调配（图3）。

 

 

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生物聚合物、回收材料亦或二者兼用？

生物基材料的创新研发周期正日益缩短。为确保这些研发成果能够成功应用于实践，产研紧密合作至关重要。例如，Meraxis正在与德国霍夫应用科技大学生物聚合物循环经济研究所进行合作。该大学在生物聚合物领域展开了深入研究，而Meraxis则通过其在市场和加工方面的专长对此进行支持。该公司还协助供应商在早期阶段对新研发的化合物和生物基聚合物变体的实用性进行测试并参与其后续开发。通过这种方式，新产品能够被精确定制以契合市场需求。

 

若企业希望采用更可持续的材料，他们通常需要在回收材料和生物聚合物之间做出选择。生物基材料在许多情况下都是一种可行的方案，例如因法规限制而无法使用回收材料时，如直接接触食品的包装。最近推出的欧盟包装法规《包装和包装废物法规》（PPWR）明确要求提高回收材料的使用比例，这也推动了市场对回收材料的需求不断增长。在这一背景下，生物聚合物可成为回收材料的重要战略替代品。反之，回收材料在高机械负荷、具有长期稳定性需求和价格敏感的应用领域则具有显著优势。尽管如此，这两类材料并非互斥关系，它们在实践中可通过针对性组合来充分发挥二者的优势。

 

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结语

为了使生物聚合物在实践中充分发挥其潜力，深厚的技术专长必不可少。通过专业的实践指导、实验室支持以及供应链上下游的紧密合作，生物基材料能够被可靠地整合到现有工艺流程中。如今，它们在许多应用领域已成为化石聚合物真正可行的替代方案。这些材料不仅技术先进，还兼具生态附加值。对于那些注重可持续发展、技术创新和未来导向型聚合物解决方案的加工商而言，选择生物聚合物绝非妥协，而是深思熟虑的明智之选。