幾種可生物降解塑料的性能與應(yīng)用比較研究

謝鴻洲,盧文新,商寬祥

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

塑料自問世以來，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(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[1]，自1950年人類大規(guī)模制造塑料以來，大約生產(chǎn)出83億t塑料，其中63億t直接廢棄為垃圾；據(jù)推測[1]，到2050年，全球塑料產(chǎn)量將超過340億t，廢棄塑料的產(chǎn)量將為120億t。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性能在儲存期內(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，被認為是解決塑料污染問題的有效途徑之一[2]。市面上常見的可生物降解塑料見表1，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不同，各有優(yōu)缺點。為促進對可生物降解塑料的了解和認識，本文從產(chǎn)能、綜合性能和應(yīng)用領(lǐng)域等方面綜合比較了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。

表1 常見的可生物降解塑料及其命名縮寫

1 產(chǎn)能情況對比

圖1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。當然，這些規(guī)劃中的項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)思院士團隊有可能打破這種桎梏，其團隊開發(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[3]。

PHA、PPC、PGA、PCL等可降解塑料的現(xiàn)有產(chǎn)能和未來預(yù)計增加產(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所不具有的獨特性能。舉個例子，PGA具有非常優(yōu)異的力學(xué)強度和氣體阻隔性[4]，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[5]，屆時其應(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。

2 綜合性能對比

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行綜合性能對比是非常有必要的(見表2)。

表2 幾種可生物降解塑料與通用塑料低密度聚乙烯(LDPE)的綜合性能對比分析

從表2可以看出，不同可生物降解塑料的特點也不同，各有優(yōu)缺點，但均不完全具備“PE特性”。PBAT和PBS的熔點和力學(xué)性能與PE相當，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的熔點和強度高于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的市場價格漲至4萬元/t,還一料難求。

PGA和PHA的熔點和強度高于PE，但拉伸韌性低于PE，具有與PLA一樣的基本性能特點。但是，它們具有PLA所不具備的獨特性能，尤其是PGA，具有非常優(yōu)異的強度和氣體阻隔性，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?，F(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，考慮到其具有獨特的性能，且成本在未來有望降低，筆者認為其具有較好的發(fā)展前景。

PCL的熔點僅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 ℃以上就會發(fā)生變形[6]。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，具有獨特性能的PGA的大規(guī)模應(yīng)用也有待相關(guān)問題的解決,詳見表3。

表3 部分可生物降解材料亟待解決的相關(guān)問題

3 應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ρ?/h2>

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)計數(shù)據(jù)，我國一次性塑料制品耗量高達2 000萬t，占國內(nèi)塑料制品產(chǎn)量的33%[9]。理論上，PLA和PBAT可以對所有一次性塑料制品進行替代，即是一個潛在市場容量超過2 000萬t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又不損害其可生物降解性。

表4 部分可生物降解塑料在現(xiàn)階段的主要應(yīng)用領(lǐng)域

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所不具有的獨特性能，一旦產(chǎn)業(yè)化進程加速，其獨特的相關(guān)性能將賦予其廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

隨著世界范圍內(nèi)垃圾分類和“限塑令”的強制性逐步升級，可生物降解塑料已然站上風口，尤其在今年，可生物降解塑料市場占有率最高的PLA價格整體暴漲,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t，占全球可生物降解塑料年產(chǎn)量的37%。據(jù)預(yù)測[7]，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)能擴張的主力軍，其產(chǎn)品不僅可擴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，這些具有獨特性能的可生物降解塑料的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化進程正在加速，預(yù)計在未來將具有廣闊的發(fā)展前景。