幾種可生物降解塑料的性能與應(yīng)用比較研究
來源：鏈塑網(wǎng)
塑料自問世以來，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如包裝行業(yè)和一次性制品行業(yè)，給人類的生產(chǎn)和生活帶來了極大的便利。然而，其巨大的使用量和廢棄量導(dǎo)致了日益嚴(yán)重的環(huán)境污染———“白色”污染，包括河流污染、農(nóng)田地膜污染以及海洋塑料污染。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，自 1950 年人類大規(guī)模制造塑料以來，大約生產(chǎn)出 83 億噸塑料，其中 63 億噸直接廢棄為垃 圾；據(jù)推測，到 2050 年，全球塑料產(chǎn)量將超過 340 億噸，廢棄塑料的產(chǎn)量將為 120 億噸。
近年來，塑料污染均赫然在列于Science、Nature和 C&En 各自發(fā)布的年度重大事件中。
可生物降解塑料是指各項(xiàng)性能在儲(chǔ)存期內(nèi)滿足使用要求，而使用后可在自然環(huán)境條件下降解成對環(huán)境無害的物質(zhì)的一類塑料，被認(rèn)為是解決塑料污染問題的有效途徑之一。
市面上常見的可生物降解塑料見下表，其中，PLA、PBS 和 PBAT 的產(chǎn)業(yè)化程度較高。不同的可生物降解塑料的特點(diǎn)不同，各有優(yōu)缺點(diǎn)。
為促進(jìn)對可生物降解塑料的了解和認(rèn)識，小編將從產(chǎn)能、綜合性能和應(yīng)用領(lǐng)域等方面綜合比較上述可生物降解塑料，以期為相關(guān)行業(yè)從事人員提供參考。
產(chǎn)能情況對比
上圖是幾種可生物降解塑料截至 2019 年 12 月的現(xiàn)有產(chǎn)能及已知的預(yù)計(jì)增加產(chǎn)能?？梢悦黠@發(fā)現(xiàn)，PLA 和 PBS/PBAT 是現(xiàn)有產(chǎn)能最大的兩種降解材料，全球產(chǎn)能均達(dá)到 30 萬 t/a級別。
而且，在全球整體“限塑”政策向好的情況下，PLA 和 PBS／PBAT 材料市場也變得十分火熱，未來 10 年預(yù)計(jì)產(chǎn)能將分別大幅增加 95 萬t/a 和 50 萬 t/a ，能有效緩解目前可生物降解塑料供不應(yīng)求的局面。
當(dāng)然，這些規(guī)劃中的項(xiàng)目大多處于前期籌備階段，能否如期投產(chǎn)不得而知。但是，這在一定程度上說明了PLA 和PBS／PBAT 材料是目前市場上認(rèn)可度最高的可生物降解塑料。
另外，相對于生產(chǎn)原料易獲得、生產(chǎn)技術(shù)較成熟的 PBS／PBAT 類材料，國內(nèi)PLA 的生產(chǎn)技術(shù)明顯滯后，尤其是丙交酯原料受制于人，導(dǎo)致國內(nèi) PLA 產(chǎn)能明顯低于國外 PLA 產(chǎn)能。
目前，中科院長春應(yīng)化所陳學(xué)思院士團(tuán)隊(duì)有可能打破這種桎梏，其團(tuán)隊(duì)開發(fā)了可工業(yè)化應(yīng)用的第二代丙交酯制備技術(shù)，形成了從丙交酯到聚乳酸終端產(chǎn)品的新一代全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)，且經(jīng)過行業(yè)科技成果鑒定，整體技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。
PHA、PPC、PGA、PCL等可降解塑料的現(xiàn)有產(chǎn)能和未來預(yù)計(jì)增加產(chǎn)能均較小，主要原因在于此類可生物降解塑料還處于產(chǎn)業(yè)化初級階段，生產(chǎn)技術(shù)不成熟、生產(chǎn)成本過高，導(dǎo)致市場認(rèn)可度不高，現(xiàn)階段無法與 PLA 和 PBS／PBAT 在替代通用塑料方面形成競爭，而是多用于高端生物醫(yī)用材料領(lǐng)域。
值得注意的是，這類可生物降解材料通常具有 PLA 和 PBS／PBAT 所不具有的獨(dú)特性能。舉個(gè)例子, PGA 具有非常優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度和氣體阻隔性，其在油氣井壓裂球和高阻氣性包裝材料等領(lǐng)域中的應(yīng)用潛 力非常大。
目前，國內(nèi)以煤化工路線生產(chǎn)PGA ，成本有望降至 1萬元／t ，屆時(shí)其應(yīng)用范圍有望從量少的高端生物醫(yī)用材料領(lǐng)域向量大的高性能塑料領(lǐng)域延伸。
綜和性能對比
聚乙烯（PE）是應(yīng)用較廣的傳統(tǒng)塑料，也是可生物降解塑料的主要替代對象。PE具有優(yōu)異的結(jié)晶性、水蒸氣阻隔性和耐候性，這些性能可統(tǒng)稱為“PE 特性”。
事實(shí)上，目前常見的可生物降解塑料基本都是脂肪族聚酯，如 PLA 和 PBS ，可大致看作是含有酯鍵的 PE ，其分子鏈中的酯鍵賦予其生物降解性，脂肪鏈賦予其“PE 特性”。有前景的可生物降解塑料需要兼具生物降解性和“PE 特性”。
因此，將可生物降解塑料與聚乙烯進(jìn)行綜合性能對比是非常有必要的。
可以看出，不同可生物降解塑料的特點(diǎn)也不同，各有優(yōu)缺點(diǎn)，但均不完全具備“ PE 特性”。
PBAT 和PBS 的熔點(diǎn)和力學(xué)性能與 PE 相當(dāng)，說明其可基本覆蓋 PE 在一次性制品行業(yè)中的應(yīng)用，但是相比于 PBAT ，PBS 存在水解速率過快、貯存穩(wěn)定性差的缺陷；PLA 的熔點(diǎn)和強(qiáng)度高于 PE ，但拉伸韌性和結(jié)晶性明顯較低，其經(jīng)過增韌、結(jié)晶促進(jìn)等改性后也可以基本覆蓋 PE 在一次性制品行業(yè)中的應(yīng)用。
另外，PLA、PBAT／PBS 的商品化程度較高，在以前供需狀況不緊張的情況下，市場價(jià)格可穩(wěn)定在2 萬 元／t 左 右，但仍然明顯高于通用塑料PE。而且，在現(xiàn)階段供應(yīng)不求的情況下，PLA 的市場價(jià)格漲至4萬元／t，還一料難求。
PGA 和 PHA 的熔點(diǎn)和強(qiáng)度高于 PE ，但拉伸韌性低于 PE ，具有與 PLA 一樣的基本性能特點(diǎn)。但是，它們具有 PLA 所不具備的獨(dú)特性能，尤其是PGA ，具有非常優(yōu)異的強(qiáng)度和氣體阻隔性，賦予其在高性能塑料領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，如高阻氣性包裝材料和工程塑料。
現(xiàn)階段 PGA 和 PHA 的生產(chǎn)成本過高，商品化程度較低，而且降解速率太快，貯存穩(wěn)定性較差。但是，考慮到其具有獨(dú)特的性能，且成本在未來有 望降低，具有較好的發(fā)展前景。
PCL 的熔點(diǎn)僅60℃，使用上限溫度低；PPC 為無定型聚合物，且玻璃化溫度為45℃左右，即 PPC在40℃以上就會(huì)發(fā)生變形。這兩種可生物降解塑料均存在使用上限溫度低的缺陷，因此，其應(yīng)用范圍嚴(yán)重受限。
綜上所述，已商品化的 PLA 、PBAT／PBS 的市場前景最好。但是，若要大范圍替代現(xiàn)有通用塑料 PE ，不僅生產(chǎn)成本有待進(jìn)一步降低，而且有賴于一些問題的妥善解決，即提高產(chǎn)品的“ PE特性”。另外，具有獨(dú)特性能的 PGA 的大規(guī)模應(yīng)用也有待相關(guān)問題的解決。
應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ρ?/strong>
表４是部分可生物降解塑料在現(xiàn)階段的主要應(yīng)用領(lǐng)域。其中，PLA 和 PBAT 主要應(yīng)用于日常塑料，最符合現(xiàn)階段的“限塑”政策需求。根據(jù)國內(nèi) 2018 年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國一次性塑料制品耗量高達(dá)2000萬噸，占國內(nèi)塑料制品產(chǎn)量的 33％。
理論上，PLA 和 PBAT 可以對所有一次性塑料制品進(jìn)行替代，即是一個(gè)潛在市場容量超過2000萬噸的市場。
另外，PLA 和 PBAT 的應(yīng)用領(lǐng)域雖有重疊之處，但各自特點(diǎn)不同，比如 PLA 屬于硬塑料，而 PBAT 屬于軟塑料，可近似看作石化產(chǎn)品中的聚丙烯和聚乙烯。而且，吹膜加工性差的 PLA 做膜袋，多與韌性好的 PBAT 共混，其可在提高吹膜加工性的同時(shí)又不損害其可生物降解性。
其他幾種現(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)化水平不高的可生物降解塑料基本用于用量少、附加值高的生物醫(yī)用材料領(lǐng)域。不過如前文所述，這些塑料具有 PLA 和 PBAT／PBS 所不具有的獨(dú)特性能，一旦產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加速，其獨(dú)特的相關(guān)性能將賦予其廣闊的應(yīng)用前景。
總結(jié)
隨著世界范圍內(nèi)垃圾分類和“限塑令”的強(qiáng)制性逐步升級，可生物降解塑料已然站上風(fēng)口，尤其在今年，可生物降解塑料市場占有率最高的 PLA 價(jià)格整體暴漲，甚至出現(xiàn)“一料難求”的狀況。
中國現(xiàn)有可降解塑料的年產(chǎn)能約為 31 萬噸，占全球可生物降解塑料年產(chǎn)量的 37％。據(jù)預(yù)測，全球降解材料的年增長率將超過 20％，而中國將是未來幾年產(chǎn)能擴(kuò)張的主力軍，其產(chǎn)品不僅可擴(kuò)大出口至目前可降解塑料消耗量最大的西歐地區(qū)，也將助力國內(nèi)日益火爆的降解塑料市場的發(fā)展。
目前，PLA 和 PBS／PBAT 是產(chǎn)量最大的兩種降解塑料，且市場認(rèn)可度較高，最有望大范圍替代現(xiàn)有不可降解塑料 PE、PP，用于一次性塑料制品領(lǐng)域。
其他可生物降解塑料目前產(chǎn)能有限，且市場集中于附加值高的高端生物醫(yī)用材料領(lǐng)域，還無法與 PLA 和PBS／PBAT 材料在替代通用塑料方面形成競爭。但是，這些具有獨(dú)特性能的可生物降解塑料的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程正在加速，預(yù)計(jì)在未來將具有廣闊的發(fā)展前景。
