可降解塑料的種類和發(fā)展現(xiàn)狀

薛俊海

關(guān)鍵詞：可降解塑料，生物降解塑料，光降解塑料，化學(xué)降解塑料

近年來，廣泛使用的聚乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯等塑料制品引起的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，塑料的降解和再生是解決該問題的兩個方向，其中降解塑料的逐步應(yīng)用和廣泛推廣是解決白色污染問題的有效技術(shù)，全球70余個國家已出臺限制常規(guī)塑料制品的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。為減少塑料制品的“白色污染”，推動可降解塑料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國也不斷出臺政策大力整治，早在2008年1月8日，國務(wù)院辦公廳發(fā)布《關(guān)于限制生產(chǎn)銷售使用塑料購物袋的通知》。時隔12年之后，2020年1月16日，國家發(fā)展改革委員會和國家生態(tài)環(huán)境部發(fā)布最嚴(yán)“限塑令”，共同出臺文件《關(guān)于進一步加強塑料污染治理的意見》以下簡稱《意見》。

在2020年《意見》中，進一步明確提出了禁止和限制使用塑料制品的具體時間和種類要求，明確了2020年率先推動、2022年逐步推廣、2025年形成體系三個階段主要目標(biāo)的基本原則，并從不同的塑料應(yīng)用領(lǐng)域，不同的塑料材質(zhì)種類，不同行政級別區(qū)域三個角度，對特定種類塑料制品的生產(chǎn)、銷售和使用做了較為具體的規(guī)定[1]。

我國各省市也相繼出臺了相關(guān)政策，多地“禁塑令”開始實施。吉林省率先在2015年初開始在吉林省內(nèi)實施“禁塑令”；海南省在環(huán)境保護領(lǐng)域也做出了嚴(yán)格的規(guī)定，從2020年底就開始了環(huán)保行動，對不可降解的農(nóng)用地膜、塑料購物袋與餐飲具等進行了禁止銷售的要求；2021年1月1日起，北京、上海等地正式實施“禁塑令”[2]；而我國部分城市如廣州、杭州等已開始率先執(zhí)行城市生活垃圾分類，對快遞包裝、外賣包裝有了嚴(yán)格的要求，減少塑料制品的使用已是趨勢。

GB/T 20197-2006《降解塑料的定義、分類、標(biāo)識和降解性能要求》對降解塑料給出了嚴(yán)格的定義[3]。可降解塑料按降解的具體途徑分為多種類型，大致可分為生物途徑降解塑料、光途徑降解塑料、化學(xué)途徑降解塑料等。

1 生物降解塑料

在GB/T 39514-2020《生物基材料術(shù)語、定義和標(biāo)識》中，生物降解塑料是由微生物作用引起的并最終降解變成小分子[4]。除了強調(diào)塑料是由微生物引起降解外，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對于降解后生成的物質(zhì)有較為詳細的要求[5]。而在政府限制使用的一次性餐具相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18006.3-2020《一次性可降解餐飲具通用技術(shù)要求》中，僅規(guī)定了生物降解的塑料種類，可見生物降解塑料的應(yīng)用較為廣泛[6]。

而國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛塑料購物袋標(biāo)準(zhǔn)GB / T38082-2019《生物降解塑料購物袋》中，也僅規(guī)定了使用生物降解塑料作為原料的購物袋[6 ]，GB/ T38079-2019《淀粉基塑料購物袋》規(guī)定了另外一種常見可降解購物袋，描述了淀粉基塑料購物袋的定義和要求。

生物降解塑料從合成方式上可分為利用石化資源合成、可再生材料合成兩大類[7]。世界主要國家對降解制品的生物降解要求如表1所示。

由表1可見，我國標(biāo)準(zhǔn)目前對降解率要求不高，6個月降解率僅為60%，歐美對降解材料的降解率要求相同降解時間均為90%。歐洲標(biāo)準(zhǔn)除規(guī)定了需氧降解材料外，還規(guī)定了厭氧降解材料的要求，要求2個月降解50%以上，標(biāo)準(zhǔn)更為全面，材料選擇性更多。

1.1 石化基生物分解塑料

石化基生物分解塑料，利用化石資源（石油等）合成生物降解塑料，通常以石化產(chǎn)品為單體，通過化工合成等方式得到。常見的石化基生物分解材料包括聚丁二酸丁二醇酯等。

聚丁二酸丁二醇酯 Poly（butylene succinate），簡稱“PBS”，結(jié)構(gòu)簡式是H-[O（CH2）4OOC（CH2）2CO]n-OH。PBS塑料降解速度快，但商品保質(zhì)期短；與聚乙烯等傳統(tǒng)塑料相比，物理力學(xué)性能（如拉斷力等）不佳，不能滿足目前塑料制品的性能指標(biāo)要求。經(jīng)過科研工作者的研究，目前PBS可通過改性提高物理性能指標(biāo)，貯存期穩(wěn)定性等參數(shù)，常見的是通過添加芳香組分，使用共聚的化學(xué)合成改善塑料的物理和存儲性能。

在聚己二酸丁二醇酯（PBA）中添加對苯二甲酸丁二醇酯后，改性得到的聚己二酸/ 對苯二甲酸丁二醇酯，屬于熱塑性生物降解塑料，英文名Poly（butyleneadipate-co-terephthalate），簡稱“PBAT”，即為應(yīng)用較為廣泛的降解塑料。PBAT是一種優(yōu)良的改性混合降解塑料，既有優(yōu)良的延展性，斷裂伸長率檢驗指標(biāo)好，耐熱性和沖擊性能也較高；生物降解性可滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，是2023年生物降解塑料中最受歡迎和市場應(yīng)用最好降解的材料之一。

1.2 可再生生物降解塑料

可再生生物降解塑料是由天然材料直接加工得到的塑料，主要有兩類：第一類是在淀粉中加入改性材料制得；第二類是以淀粉為原料進行進一步的制備而獲得，常見的如聚乳酸等。

1.2.1 淀粉改性降解塑料

淀粉是高分子化合物，由葡萄糖小分子單元聚合而成，廣泛來源于土豆、玉米、紅薯等農(nóng)作物，可循環(huán)再生且完全降解。

淀粉屬于一種較強結(jié)晶化合物，分子間通過氫鍵連接，未進行改性的淀粉的化學(xué)鍵在150℃以上斷裂，淀粉的粒徑一般約為10～100微米，可作為輔料制備各種可降解塑料，也可化學(xué)改性后作為主料制備可降解塑料。

常見的有聚乙烯-乙烯/丙烯酸/淀粉共混物，這是一種共混型淀粉基生物降解材料，主要用于制備膜、發(fā)泡片等制品。此外，還有淀粉/聚乙烯醇共聚物，根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，可用于制備一次性餐具、膜袋、管材等制品。

1.2.2 淀粉基降解塑料

聚乳酸（PLA）是目前應(yīng)用較為廣泛的生物降解材料，性價比較高。目前工藝多通過生物發(fā)酵法制備乳酸，工藝成熟、成本較低，在降解塑料領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。PLA是一種熱塑性材料，力學(xué)性能和透明性能優(yōu)異，可通過注塑、吸塑、吹塑等工藝，將樹脂制備成薄膜、片材等可降解塑料制品，在包裝領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[8]。

聚乳酸（PLA）的原料乳酸，是由玉米、甜菜、甘蔗和大米等生物質(zhì)資源合成的，是生物基塑料的代表化合物之一。PLA 是一種透明度較高的熱塑性聚合物，通常采用熱塑性加工方法，即擠出、注塑等加工方式。

經(jīng)過改性的聚乳酸可提高物理機械性能和穩(wěn)定性，可代替聚乙烯、聚丙烯等常見塑料制品。聚乳酸有比較好的生物分解性，可在堆肥或土壤條件下降解，也能在海水中的微生物吸收。

1.3 可堆肥降解塑料

可堆肥塑料是生物降解塑料的主要種類之一。從原料劃分，可堆肥降解塑料分為石化基可堆肥塑料、生物基可堆肥塑料兩大類。石化基可堆肥塑料主要有二元酸二元醇共聚酯（PBS和PBAT等）；生物基可降解塑料包括淀粉基、聚乳酸（PLA）等[9]。

2 光降解塑料

我國標(biāo)準(zhǔn)重點關(guān)注光降解塑料是在自然光作用下，發(fā)生降解的變化，而對最后降解物質(zhì)無具體要求。

光降解塑料的原理就是在原有聚合物塑料中引入光敏性物質(zhì)，或在聚合物主鏈上引入光敏基團，這些光敏物質(zhì)在自然環(huán)境中受光照作用吸收能量，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生引發(fā)源，引起大分子鏈斷裂變成低分子量化合物，最終完成塑料的光降解。

現(xiàn)在塑料工業(yè)領(lǐng)域常見的光降解塑料為共聚型和添加型兩類。

共聚型光降解塑料是在乙烯等烯烴單體與光敏物質(zhì)（如一氧化碳等）聚合生成的聚合物塑料，共聚型光降解材料中含有羰基等易于吸收可見光的化學(xué)鍵，收到自然光照射后，吸收能量引發(fā)分子鏈斷裂。添加型光降解塑料是在現(xiàn)有的塑料中添加光敏化合物（如二苯甲酮、對苯醌等），這些光敏劑能吸收自然光，將能量傳遞給原有聚合物分子鏈，引發(fā)光降解反應(yīng)。

光降解塑料反應(yīng)分為兩個階段，光的吸收和光反應(yīng)。長時間且強烈的光照是光降解塑料的必要條件，光降解塑料中的光敏組分吸收自然光后引發(fā)光反應(yīng)，光敏官能團吸收能量后，影響分子結(jié)構(gòu)，聚合物分子中的化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，進一步引發(fā)聚合物主鏈斷裂。

但光降解塑料主鏈斷裂后，轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆衔镄》肿渔湥窗l(fā)生崩解，這些小碎片依然存在于自然界中，并不能進一步地轉(zhuǎn)化為有機物分子，形成污染環(huán)境的“微塑料”，危害人體健康。

由于光降解材料需要自然光引發(fā)，只能應(yīng)用于日照時間長、光照強度大的地區(qū)，且只限于可長時間接觸自然光的制品（如農(nóng)田覆蓋物等），且降解不完全，轉(zhuǎn)化為“微塑料”污染。國內(nèi)光降解塑料僅在新疆和黑龍江地區(qū)有一定的應(yīng)用和研究，難以在全國范圍內(nèi)應(yīng)用推廣。

3 化學(xué)降解塑料

化學(xué)降解塑料常見的有氧化降解和水解降解兩種降解方式[10]。

氧化降解塑料，是在傳統(tǒng)塑料中，加入氧化降解添加劑，使塑料在光和熱作用下，發(fā)生氧化反應(yīng)，并在微生物的協(xié)同作用下，最終降解。由于降解條件較為苛刻，且容易發(fā)生降解不完全的情況，形成“微塑料”污染，因此目前氧化降解塑料在世界范圍內(nèi)應(yīng)用不多。

水解降解塑料是指在傳統(tǒng)塑料中添加水解酶等引發(fā)降解一類塑料。與氧化降解塑料的情況相同，水解降解塑料在水環(huán)境中的降解也較為緩慢，原因在于通常水環(huán)境（海水、淡水）溫度降低，能夠進行降解的微生物也較少，降解速度很慢，難以滿足當(dāng)今標(biāo)準(zhǔn)的降解要求。

由于以上問題，目前歐盟等國家已禁止化學(xué)降解塑料的應(yīng)用，我國相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)也較多的生物降解塑料的應(yīng)用，化學(xué)降解塑料的應(yīng)用前景并不理想。

4 結(jié)語

目前，可降解材料已在包裝、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等行業(yè)有較為廣泛的應(yīng)用。購物袋、垃圾袋、快遞包裝袋等包裝制品已廣泛走進人民群眾的日常生活中；可降解農(nóng)用薄膜、管材、養(yǎng)殖網(wǎng)等由于其降解的特性，極大地減少了環(huán)境中的塑料污染；緩釋、控釋醫(yī)藥包裝，縫合線等醫(yī)療器械，由于其在生物體內(nèi)起完作用后可分解消失的特性，已在醫(yī)療領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在人體內(nèi)的縫合線已大部分均使用可降解材料。

隨著各地區(qū)禁塑要求的逐步加強，我國可降解塑料迎來了較好的發(fā)展機遇，未來可降解塑料市場需求較大，尤其是飯店、農(nóng)田、市場等行業(yè)對降解塑料制品的銷售將迎來較快增長，未來市場使用率有望和歐美發(fā)達國家平齊，可降解塑料迎來了前所未有的機會。預(yù)計到2025年國內(nèi)可降解塑料年需求量將提升至250萬噸/年，當(dāng)前國內(nèi)供給不足20萬噸/年，可降解塑料發(fā)展空間廣闊[11]。