塑料工业是随石油化工的发展而快速发展起来的, 以取材容易, 价格低廉, 加工方便轻质耐用等优点, 广泛应用于社会的各个领域, 给人们生活带来了极大的方便. 但同时, 由于大量的废弃塑料制品难于分解, 构成了日益严重的 '白色污染' , 阻碍了社会的进步和经济的可持续发展, 随着人类对环境保护的日益重视, 处理高分子材料废弃物这一热点课题在全球得到普遍关注.
所以, 制备环境友好的可生物降解塑料来代替传统塑料, 研究和开发可降解塑料成为治理污染的有效实施方法, 可降解塑料也由此成为国内外的热门研究方向.
目前 可降解塑料主要包括生物降解塑料, 光降解塑料, 光和生物降解塑料, 水降解塑料四大类 , 其中以生物降解塑料的研究最为深入, 应用最为广泛.
生物降解塑料 是一类由自然界存在的微生物如细菌, 霉菌(真菌)和藻类的作用而引起降解的塑料. 理想的生物降解塑料是一种具有优良的使用性能, 废弃后可被环境中的微生物完全分解, 最终被无机化成为自然界中碳素循环的一个组成部分的高分子材料.
除可自然降解外, 生物降解塑料还具有原料可再生, 对肌体适应性强等优点, 使其可以广泛应用于包括环保, 食品容器和包装, 农林业, 医学, 纺织, 电子, 汽车等领域.
▲生物质来源的可降解塑料
由于生物可降解塑料在高端市场方面的应用主要包括医疗用品, 药物缓释材料, 3D打印用材料等. 而PLA, PCL, PHAs等生物可降解塑料具有良好的生物相容性, 在合成时可以通过分子设计实现性能的可调控性, 因而在高端市场具有发展潜力.
▲生物可降解3D 打印耗材
聚乳酸 (PLA)
聚乳酸 是以乳酸为主要原料聚合得到的聚合物, 是一种已经商品化的生物基可降解塑料. 主要原料乳酸是从 玉米淀粉 中制得, 也可以用 甜菜或谷物 等经过发酵制成来降低成本, 生产聚乳酸的原料丰富且可再生, 生产无污染, 产品可以被生物降解.
聚乳酸具有良好的生物可溶性, 生物可吸收性和好的抗溶剂性, 可用多种方式进行加工, 如吹膜, 挤压成型等.
聚乳酸还具有很好的阻燃性, 抑菌性, 并且在可降解热塑性高分子中, PLA有着最好的抗热性, 所以无须特殊的设备和操作工艺, 应用常规的加工工艺即可进行熔融纺丝.
PHAs
PHAs类生物可降解塑料 是通过细菌发酵生产而成, 可以作为分子内碳源和能源储备, 并成为颗粒体聚集在细胞质内. 发酵物主要是葡萄糖一类的碳水化合物. 不同的发酵条件可以生产不同类型的PHAs.
由于PHAs昂贵的价格和良好的生物相容性, PHAs 更多地被用于医疗领域. 例如医用缝线, 修复装置, 维修补丁, 绷带, 心血管补丁, 引导组织修复, 关节软骨修复支架, 神经导管, 肌腱修复装置, 人造食道及伤口敷料等.
聚己内酯 (PCL)
聚己内酯 是一种脂肪族直链聚酯, 与PLA不同, 它是一种商品化的生物基可降解塑料, 质地非常柔软, 具有较大的延展性, 而且具有优良的生物相容性, 记忆性, 生物可降解性, 广泛应用于各个领域, 尤其是在医疗方面.
聚己内酯柔软, 便于加工, 性能优良, 在医疗领域常用于组织工程支架材料, 可以被人体吸收排泄.
根据美国咨询公司弗若斯特沙利文发布研究报告预测, 未来几年, 生物降解塑料的市场需求快速增长, 预计到2020年全球生物降解塑料需求总量将达到322万吨左右, 年均需求增长速度超过16%.
随着白色污染问题和非可再生能源危机的日趋严重, 开发和使用生物可降解塑料成为缓解这一问题的有效途径之一.
▲全球生物降解塑料市场需求量预测
随着人们环保意识的增强, 国家可持续政策的实行, 可降解塑料的开发与利用刻不容缓, 由于可降解塑料应用日益广泛, 在医疗, 生产, 制造业上都有较大的利用价值, 因此大力发展 可降解, 环境友好型塑料 产业, 是有效解决 '白色污染' 保护环境的有效方法.
2009-2013年, 中国生物降解塑料产能年复合增长率超过21%, 在国家政策利好以及应用范围不断拓展等刺激下, 可降解塑料市场持续走强.
▲中国可降解塑料产量
在石油资源日益匮乏的今天, 如何有效利用现有资源, 节约有限资源和开拓新兴可替代石油类原料, 是保证我国经济可持续发展的重要问题, 也是未来塑料产业的发展方向.
目前全球宣布投资建设完全生物降解塑料的企业很多, 但是真正能够大批量供货的企业很少. 主要的厂商有 BASF , 已有14万吨产能, 应用于膜级产品;北美的 Natureworks , 具备14万吨PLA产能, 同时在泰国新建15万吨产能预计2015年投产;与公司产品形成直接竞争的只有BASF, 但是由于行业仍处于垄断供应, 全球市场供不应求, 因此暂时仍不存在竞争压力.
全球生物降解塑料主要生产商及其产品应用方向▼
截止2016年, 我国生物可降解塑料产能达71万吨, 产量达52万吨. 目前我国主要的生物降解塑料生产企业有 金发科技, 华丽环保, 海正药业, 彩虹精化, 鑫富药业, 大东南 等.
从产品结构上来看, 除淀粉塑料外, PBS是国内生物可降解塑料规模最大的产品.