淺析可降解塑料包裝材料

■ 文/天津科技大學(xué) 李菲、江貴長、陳明芬

隨著環(huán)境污染的日益嚴重，低碳、節(jié)能、環(huán)保已成為全球關(guān)注的焦點，因此，可降解塑料受到了越來越多的重視和推廣。由于這種聚合物一方面能保持一般塑料的應(yīng)用特性，另一方面又能快速降解，因此已成為包裝行業(yè)研發(fā)的重點[1]。本文對可降解塑料的含義、原理及應(yīng)用等多方面進行了描述，并在此基礎(chǔ)上展望了該材料的發(fā)展前景，同時提出一些可行性的建議。

一、可降解塑料包裝材料

可降解塑料和普通塑料的不同之處在于是否在制造過程中加入了淀粉、光敏劑之類的物質(zhì)，由于可降解塑料加入了這些物質(zhì)，就導(dǎo)致它的穩(wěn)定性比普通塑料要差，更容易被自然環(huán)境所降解。對于大多數(shù)可降解塑料來說，在自然環(huán)境中暴露2～3個月就會發(fā)生明顯的變化，材料本身就會出現(xiàn)變薄、失重、強度下降等現(xiàn)象，并且會逐漸的分解，生成對環(huán)境無害的物質(zhì)。經(jīng)研究表明，它能有效解決的 “白色污染”問題，符合綠色發(fā)展的觀念，與此同時，它也為未來塑料行業(yè)的發(fā)展指明了方向[2]。

二、可降解塑料包裝材料的分類

根據(jù)降解原理的不同，可降解塑料包裝材料可以分為四種，它們分別是光降解塑料、生物降解塑料、光/生物雙降解塑料、水降解塑料。

（一）光降解塑料

光降解塑料是在塑料中添加一定量的物質(zhì)（如光增敏基團或光敏性物質(zhì)）。在光照條件下，這些物質(zhì)會在吸收紫外線后發(fā)生一系列光化學(xué)反應(yīng)，進而使塑料大分子發(fā)生分解、斷裂、老化。由于在降解的過程中容易受到環(huán)境的影響，所以在20世紀末以后，大部分國家減少了對這種不添加任何助劑的光降解塑料的應(yīng)用[3]。

1.光降解塑料的原理

所謂光降解是指聚合物在吸收輻射能（紫外線）之后，電子躍遷至激發(fā)的狀態(tài)，產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，形成光降解的過程[4]。其具體反應(yīng)過程是:聚合物通過光的物理吸收過程從而引起光的化學(xué)反應(yīng)，促使氫原子逐漸從聚合物分子鏈上分離出來，從而形成自由基的過程，這就是光降解的原理。

2.光降解塑料的分類

光降解塑料的分類主要可以分為兩大類，判斷的依據(jù)是降解后有無新基團的形成。

第一類是共聚型光降解塑料，它主要是由烯烴、一氧化碳和烯酮類單體組成的共聚物。簡單來說就是含有羰基結(jié)構(gòu)的聚合物（如PE、PP、PVC等）與同類樹脂共同混合[5]。

第二類是添加型光降解塑料，它是指把極少量的光敏劑加入到塑料加工的過程中，經(jīng)過一系列反應(yīng)，使其慢慢形成光降解塑料[6]。由于所加入的光敏劑本身就會攜帶一些發(fā)色基團，通過光引發(fā)和光化學(xué)的雙重作用，這種發(fā)色基團便會產(chǎn)生自由基引發(fā)源，由此來加快降解的過程。和第一類塑料相比，這種方法不僅合成簡單便捷，成本低廉，更為重要的則是工藝流程也和普通塑料相似。

3.光降解塑料的應(yīng)用

出于環(huán)保因素考慮，大多數(shù)的塑料包裝材料都是使用光降解塑料制成，尤其是一次性的食品包裝袋、飲料瓶等。例如，在自然環(huán)境中，用Plasdgone等樹脂制成的包裝材料可用于光降解，降解后無污染物產(chǎn)生，較為環(huán)保[7]。

（二）生物降解塑料

生物降解塑料是指大分子物質(zhì)被微生物（如細菌、霉菌、藻類等）分解成為低分子物質(zhì)， 從而生成水、二氧化碳或甲烷等的無污染的清潔材料。生物降解塑料所采用的原材料大多是一些多糖類和蛋白類物質(zhì)。

1.生物降解塑料的原理

生物降解塑料的原理是高聚物被真菌、霉菌等微生物消化吸收的過程。其降解過程可以分為以下三個階段，第一階段是微生物黏附階段，高分子材料表面會被微生物黏附，其黏附方式又會受到多方面影響[8]，最常見的就是高分子材料的表面張力、多孔、可侵占表面積等；第二階段是酶作用階段，微生物黏附于高分子表面后會分泌出相應(yīng)的酶，然后這些酶通過一系列化學(xué)反應(yīng)如水解、氧化等，將高分子分解為低分子碎片；第三階段則是低分子碎片被微生物消化吸收的過程。

生物降解并不是單一的降解過程，它還會包括一些比較復(fù)雜的生物物理降解法和生物化學(xué)降解法。其中，生物物理降解法是通過微生物侵蝕高聚物材料使其分裂成低聚物的碎片，發(fā)生這種現(xiàn)象的原因是細胞的增長迫使聚合物組分水解或電離，并且在這個過程中聚合物的分子結(jié)構(gòu)是不會發(fā)生任何改變的。生物化學(xué)降解法則是指由于微生物或酶直接作用于材料表面，使聚合物分解或氧化降解成小分子，直至最終分解成為CO2和H2O的過程。

2.生物降解塑料的分類

生物降解塑料按照降解機理和破壞方式可分為完全和不完全生物降解型塑料。

完全生物降解型塑料的制備有兩種途徑，第一種是由天然高分子材料如淀粉、纖維素等的合成，另一種是由農(nóng)副產(chǎn)品經(jīng)過發(fā)酵制成。這類塑料又被人們稱為“綠色塑料”，是因為其廢棄物易被細菌、真菌等微生物分解成小分子物質(zhì)，并最終分解成CO2和H2O等無機化合物[9]。但在目前的包裝領(lǐng)域，通常采用淀粉以及纖維素作為復(fù)合包裝材料的基材。

不完全生物降解塑料主要是通過共混的方法在常規(guī)塑料中加入一些具有生物降解特質(zhì)的物質(zhì)。這種降解過程也存在缺陷，那就是降解的不徹底，原因是降解后的塑料小分子會一直存在土壤中，不能被自然環(huán)境吸收，不會實現(xiàn)徹底的降解，所以就目前來看這種生物降解塑料基本已經(jīng)被淘汰。

3.生物降解塑料的應(yīng)用

目前主要應(yīng)用于一次性用具，例如我們?nèi)粘Ｋ玫囊淮涡匝篮灐⒁淮涡缘目谡?；包裝行業(yè)中的垃圾袋以及食品袋；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地膜、農(nóng)藥；衛(wèi)生用品中的嬰兒的尿不濕、還有比較常見的婦女衛(wèi)生用品等[10]。

（三）光/生物雙降解塑料

雙降解塑料兼具光降解和生物降解的雙重性特點，并且克服了生物塑料加工步驟復(fù)雜、成本較高以及受光線的影響而導(dǎo)致降解難度系數(shù)大等缺陷。從近幾年來看，有關(guān)光/生物雙降解塑料薄膜的研究是非常廣泛的，其制備過程主要包括光敏劑的研制以及生物降解專用料的一系列物理以及化學(xué)處理。

1.光/生物雙降解塑料的原理

雙降解塑料的原理主要是添加了兩種引發(fā)劑，一種是生物降解劑淀粉，另一種是可控光降解的光敏劑、自動氧化劑等助解劑[11]，它們都能誘發(fā)光化學(xué)反應(yīng)。其中光敏劑通常又會被稱之為“定時器”，主要是由于它可以通過調(diào)整其間的濃度比，使塑料定時分解成小碎片的形式，之后在自動氧化劑和微生物聯(lián)合作用下來分解該物質(zhì)。

2.光/生物雙降解塑料的分類

雙降解塑料可分為兩類：淀粉與非淀粉。目前來說比較常用的是以淀粉為原料的生物降解助劑。例如，我們?nèi)粘V泛使用的發(fā)泡PS餐盒便是光/生物雙降解塑料，這種降解餐盒被完全丟棄發(fā)生脆裂、破碎和碎化成粉的現(xiàn)象，分別是在10天后、20天后和50天后，它被野外環(huán)境完全消納，則發(fā)生在60天后。由于降解物被完全消納，所以在地面上沒有絲毫的痕跡，但通過一系列檢測我們可以發(fā)現(xiàn)這些塑料已經(jīng)降解成了小分子物質(zhì)，然后再被微生物利用，生成CO2和H2O[13]。

3.光/生物降解塑料應(yīng)用

農(nóng)用地膜、包裝容器、花木移植材料、手術(shù)縫合材料及藥物外殼等領(lǐng)域中都用到了光/生物降解塑料。其中前三項應(yīng)用則需要完全降解塑料，后兩項應(yīng)用則要求降解的小分子化合物對人體無害，并且能為人體所吸收[14]。

（四）水降解塑料

利用化學(xué)合成方法在高分子結(jié)構(gòu)中添加吸水性的物質(zhì)。由于材料本身就含有親水性成分，當材料使用后丟棄于水中即被溶解掉[15]。使用安全方便，有效消除了白色污染、保護生態(tài)環(huán)境以及符合綠色包裝的時代發(fā)展理念。由于該材料的水溶性和生物降解性能都比較優(yōu)異，所以它已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各個包裝行業(yè)，例如食品包裝、藥品包裝、洗滌包裝等。

三、可降解塑料存在的問題

目前，可降解塑料是一種比較理想的塑料垃圾處理方法，經(jīng)過科學(xué)家的研究已取得了較為顯著的成果，與此同時問題也接踵而至。

（一）降解技術(shù)不夠成熟

光降解塑料受許多不確定因素的影響，例如光線，氧氣等，所需的降解時間和速度也是不可控的，所以整體的降解性能并不高。另外，塑料光解后的二次產(chǎn)物對環(huán)境有無危害尚不明確。

（二）成本偏高

可降解塑料產(chǎn)品的價格之所以遠高于普通塑料的價格，是由于所用的材料價格較高以及生產(chǎn)過程復(fù)雜等因素。例如降解聚丙烯餐盒，它的價格就比普通餐盒多出50%～80%。所以就消費習(xí)慣而言，這種可降解材料在推廣中有可能會遇到一定的阻礙。

（三）檢驗方法和標準問題

根據(jù)可降解塑料的降解性能我們通常會提出許多問題：降解到底有何目的？它的降解時間是否應(yīng)有所定義？降解所需的產(chǎn)品是什么？這些問題目前均未能達成共識，其評價方法和標準更是多種多樣。

（四）使用性能偏低

就可降解塑料袋而言，首先是外觀方面存在著色澤暗淡和透明度低兩大問題，難以形成良好的視覺效果，影響消費者的體驗和使用；其次是實用性方面，它的承重能力非常低，若顧客一次性購物較多，難以滿足顧客需求，而且也不能反復(fù)使用。

四、可降解塑料的發(fā)展趨勢

就目前來看，雖然可降解塑料已經(jīng)取得了非常大的研究成果，但一系列問題仍然沒有解決。所以，未來的發(fā)展從以下幾個方面入手最為合理。

（一）研發(fā)新型的助劑產(chǎn)品

努力研發(fā)新型的助劑產(chǎn)品，同時還可以針對不同類型的添加劑（如光敏化劑，穩(wěn)定劑等）進行優(yōu)化組合以提高降解的效果。但對于光降解塑料而言，發(fā)展方向應(yīng)以穩(wěn)定性為主要目的，在此基礎(chǔ)上再來進一步提高光降解的效率。

（二）降低生產(chǎn)成本

研究過程中，所選取的材料在滿足高性能、可降解的基礎(chǔ)上，最好可以通過采用一定比例的低廉材料、優(yōu)化生產(chǎn)流程等方法來降低生產(chǎn)成本，這樣才會使可降解塑料在市場上取得更多的優(yōu)勢。

（三）政策上的扶持

政府需要制定出更加具體、更加完整、更加詳細的規(guī)定，就價格、牌號、可降解標準等方面應(yīng)當嚴格管理，確保完善環(huán)保方法。同時需要廣泛宣傳，讓百姓更加清楚的了解到使用可降解塑料的重要性。另外政府可對相關(guān)企業(yè)在經(jīng)濟上給予一定的資金扶持或補貼。

（四）大力推廣雙降解塑料

與普通塑料相比較，雙降解塑料具有更多的優(yōu)勢。首先，它具有光降解和生物降解的雙重特性，一定程度上克服了自然條件的影響，在無光或光照不足的條件下也能完成降解過程；其次，它的加工簡單，成本低廉，從經(jīng)濟技術(shù)角度來看，更易于發(fā)展和推廣。所以，我國應(yīng)著重發(fā)揮這方面的技術(shù)優(yōu)勢，大力推廣這種塑料。

五、總結(jié)

盡管我國在可降解塑料包裝材料的研究和應(yīng)用上取得了不俗的成績，但也存在著許多不足。如文中所提到的可降解塑料包裝材料降解技術(shù)還不夠成熟以及生產(chǎn)成本高等諸多問題，所以，今后的研究重點將是對現(xiàn)有的可降解材料進行系統(tǒng)改性、優(yōu)化生產(chǎn)工藝、降低成本和研發(fā)新型的可降解塑料包裝材料。

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