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生物降解塑料种类及分析

变宝网7月30日讯

降解塑料(degradable plastic)是指,在规定环境条件下,经过一段时间和包含一个或更多步骤,导致材料化学结构的显著变化而损失某些性能(如完整性、分子量、结构或机械强度)和/或发生破碎的塑料。

应使用能反映性能变化的标准试验方法进行测试,并按降解方式和使用周期确定其类别。降解塑料按照其设计的最终降解途径分为生物分解塑料、可堆肥塑料、光降解塑料、热氧降解塑料。

生物分解塑料(biodegradable plastic)是指,在自然界如土壤和/或沙土等条件下,和/或特定条件如堆肥化条件下或厌氧消化条件下或水性培养液中,由自然界存在的微生物如细菌、霉菌和海藻等作用引起降解,并最终完全降解变成二氧化碳(CO2)或/和甲烷(CH4)、水(H2O)及其所含元素的矿化无机盐以及新的生物质的塑料。也就是通常所说的生物降解塑料。

生物降解塑料分类

从原料来源的角度,我们将目前主流的生物降解塑料分为天然基可生物降解塑料,石油基可生物降解塑料和生物基可生物降解塑料三大类,其中,天然基降解塑料以淀粉基降解塑料为主,目前国内大多数降解塑料的生产企业都生产这类降解塑料。这类降解塑料通过聚烯烃和淀粉进行聚合,能够节约部分化石资源,也能够减少20%-40%的二氧化碳排放。在降解性能方面,淀粉能够被降解,但聚烯烃却不能被降解。聚烯烃将以微小的颗粒继续存在在自然界中,继续对生态环境造成危害。所以国际降解塑料的领先企业已经逐渐放弃了这一技术路线。而生物基降解塑料和石油基降解塑料都是完全生物降解的材料,我们将重点分析这两类在未来具有广阔发展前景的降解塑料。

生物基生物降解塑料:主导产品为PLA生物基生物降解塑料是指以天然高聚物或天然单体合成的高聚物为基所制造的可生物降解塑料。这类塑料目前主要包括聚乳酸(PLA)和聚羟基烷酸酯(PHA)两大类。

1.聚3-羟基烷酸酯(PHA)

聚羟基脂肪酸酯是由微生物通过各种碳源发酵而合成的不同结构的脂肪族共聚聚酯。其中最常见的有聚3-羟基丁酸酯(PHB)、聚羟基戊酸酯(PHV)及PHB和PHV的共聚物(PHBV)。

聚烃基脂肪酸脂(PHA)是由很多细菌合成的一种细胞内聚酯,具有生物可降解性、生物相容性等许多优良性能,在生物医学材料、组织工程材料、缓释材料、电学材料以及包装材料等方面将发挥其重要的作用。其中最常见的有聚3-羟基丁酸酯(PHB)和聚羟基戊酸酯(PHV)及PHB和PHV它们的共聚物(PHBV)。通过共聚(PHBV)可以改善PHB因其结晶度高、较脆的弱点,提高了其机械性能,另外耐热性、耐水性也好。由于价格高目前主要还是应用在医学和其他要求高的领域。

2.聚乳酸(PLA) 

聚乳酸(PLA)是一种新型的生物降解材料,使用可再生的植物资源(如玉米)所提出的淀粉原料制成。淀粉原料经由发酵过程制成乳酸,再通过化学合成转换成聚乳酸。其具有良好的生物可降解性,使用后能被自然界中微生物完全降解,最终生成二氧化碳和水,不污染环境,这对保护环境非常有利,是公认的环境友好材料。

然而,工业实际生产聚乳酸的工艺流程却比化学反应式复杂的多:如何增加聚乳酸的分子量,以获得更优异的物理性能是聚乳酸塑料生产商共同面对的问题。其中,拥有世界最大聚乳酸产能的NatureWorks公司采用两步法制备聚乳酸,这一方法的核心是使乳酸生成环状二聚体丙交酯,再开环缩聚成聚乳酸。我国中科院研制的聚乳酸生产技术也与此相似,主要过程是原料经微生物发酵制得乳酸后,再经过精制、脱水低聚、高温裂解,最后聚合成聚乳酸。日本在真空下使用溶剂使聚乳酸直接脱水缩聚方面进行了大量的研究,但目前尚没有产业化。

聚乳酸有良好的防潮、耐油脂和密闭性,在常温下性能稳定,但在温度高于55℃或富氧及微生物的作用下会自动降解。

聚乳酸的降解分成两个阶段:

1)首先是纯化学水解成乳酸单体;2)乳酸单体在微生物的作用下降解成二氧化碳和水。聚乳酸制成的食品杯只需60天就可以完全降解,真正达到生态和经济双重效应。

化石基生物降解塑料:主导产品为PBAT与PBS石油基生物降解塑料是指以石化产业链中所生产的单体通过聚合所制造的可生物降解塑料。这类塑料目前主要包括聚丁二酸丁二醇酯(PBS)/聚丁二酸-己二酸丁二醇酯(PBSA),聚已内酯(PCL)和聚丁二醇丁二酸-对苯二酸盐(PBAT)等。

1.聚ε-己内酯(PCL)

聚ε-己内酯(PCL)是由ε-己内酯经开环聚合得到的低熔点聚合物,其熔点仅62℃。PCL的降解性研究从1976年就已开始,在厌氧和需氧的环境中,PCL都可以被微生物完全分解。

与PLA相比,PCL具有更好的疏水性,但降解速度较慢;同时其合成工艺简单、成本较低。PCL的加工性能优良,可用普通的塑料加工设备制成薄膜及其它制品。

同时,PCL和多种聚合物具有很好的相容性,如PE、PP、PVA、ABS、橡胶、纤维素及淀粉等,通过共混,以及共聚可得到性能优良的材料。尤其是其与淀粉的共混或共聚,既可保持其生物降解性,又可降低成本,因而深受注目。

PCL与淀粉共混可得到耐水性好的降解塑料,其价格与纸张相近;利用原位聚合方法,可将ε-己内酯与淀粉接枝,得到性能优良的热塑性聚合物。

2.聚酯类PBS/PBSA

与同类产品比较,聚酯生物分降塑料的优点:

1)上述生物分降塑料(聚乳酸、聚ε-己内酯、聚羟基烷基酸酯)的致命弱点之一就是耐热性差,这影响了它在餐饮领域的应用推广。

 2)上述生物分降塑料(聚乳酸、聚ε-己内酯、聚羟基烷基酸酯)加工工艺条件苛刻,产业化上存在一些无法的困难。

3)聚乳酸是水降解生物塑料,保存过程中不能接受水分子,在普通储存和正常使用过程中性能无法得到保证。

聚丁二酸丁二醇酯(PBS)是典型的聚酯生物分降塑料,正是由于克服了以上弱点,成为生物降解塑料材料中的佼佼者,用途极为广泛,可用于包装、餐具、化妆品瓶及药品瓶、一次性医疗用品、农用薄膜、农药及化肥缓释材料、生物医用高分子材料等领域。

PBS综合性能优异,与其他生物降解塑料相比,PBS力学性能优异,接近PP和ABS塑料;

PBS和PCL、PHB、PHA等降解塑料相比,价格基本一致;

耐热性能好,热变形温度接近100℃,改性后使用温度可超过100℃,可用于制备冷热饮包装和餐盒,克服了其他生物降解塑料耐热温度低的缺点;

加工性能非常好,可在现有塑料加工通用设备上进行各类成型加工,是目前降解塑料加工性能最好的,同时可以共混大量碳酸钙、淀粉等填充物,得到价格低廉的制品;

PBS生产可通过对现有通用聚酯生产设备略作改造进行,目前国内聚酯设备产能严重过剩,改造生产PBS为过剩聚酯设备提供了新的机遇。另外,PBS只有在堆肥等接触特定微生物条件下才发生降解,在正常储存和使用过程中性能非常稳定。

PBS以脂肪族丁二酸、丁二醇为主要生产原料的,既可以通过石油化工产品满足需求,也可通过淀粉、纤维素、葡萄糖等自然界可再生农作物产物,经生物发酵途径生产,从而实现来自自然、回归自然的绿色循环生产。而且采用生物发酵工艺生产的原料,还可大幅降低原料成本,从而进一步降低PBS成本。


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