可生物降解塑料性能與應用研究—力美新材料

【力美新材料】 塑料自問世以來，廣泛應用于國民經濟的各個領域，如包裝行業和一次性制品行業，給人類的生產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致了日益嚴重的環境污染———“白色”污染，包括河流污染、農田地膜污染以及海洋塑料污染。

據統計， 自1950年人類大規模制造塑料以來，大約生產出83億t塑料，其中63億t直接廢棄為垃圾；據推測，到2050年，全球塑料產量將超過340億t，廢棄塑料的產量將為120億t。

可生物降解塑料是指各項性能在儲存期內滿足使用要求，而使用后可在自然環境條件下降解成對環境無害的物質的一類塑料，被認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表１，其中，PLA、PBS和PBAT的產業化程度較高。不同的可生物降解塑料的特點不同，各有優缺點。

產能情況對比

圖１是幾種可生物降解塑料截至2019年12月的現有產能及已知的預計增加產能。

可以明顯發現，PLA和PBS/PBAT是現有產能最大的兩種降解材料，全球產能均達到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年預計產能將分別大幅增加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求的局面。

當然，這些規劃中的項目大多處于前期籌備階段，能否如期投產不得而知。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， 相對于生產原料易獲得、生產技術較成熟的PBS/PBAT類材料，國內PLA的生產技術明顯滯后，尤其是丙交酯原料受制于人，導致國內PLA產能明顯低于國外PLA產能。目前，中科院長春應化所陳學思院士團隊有可能打破這種桎梏，其團隊開發了可工業化應用的第二代丙交酯制備技術，形成了從丙交酯到聚乳酸終端產品的新一代全產業鏈技術，且經過行業科技成果鑒定，整體技術處于國際領先水平。

PHA、PPC、PGA、PCL等可降解塑料的現有產能和未來預計增加產能均較小，主要原因在于此類可生物降解塑料還處于產業化初級階段，生產技術不成熟、生產成本過高，導致市場認可度不高，現階段無法與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用材料領域。

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具有非常優異的力學強度和氣體阻隔性，其在油氣井壓裂球和高阻氣性包裝材料等領域中的應用潛力非常大。目前，國內以煤化工路線生產PGA，成本有望降至１萬元/ｔ，屆時其應用范圍有望從量少的高端生物醫用材料領域向量大的高性能塑料領域延伸。

綜合性能對比

聚乙烯（PE）是使用較廣的傳統塑料，也是可生物降解塑料的主要替代對象。PE具有優異的結晶性、水蒸氣阻隔性和耐候性，這些性能可統稱為“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）

從表２可以看出，不同可生物降解塑料的特點也不同，各有優缺點，但均不完全具備“PE特性”。PBAT和PBS的熔點和力學性能與PE相當，說明其可基本覆蓋PE在一次性制品行業中的應用，但是相比于PBAT、PBS存在水解速率過快、貯存穩定性差的缺陷；PLA的熔點和強度高于PE，但拉伸韌性和結晶性明顯較低，其經過增韌、結晶促進等改性后也可以基本覆蓋PE在一次性制品行業中的應用。

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，具有非常優異的強度和氣體阻隔性，賦予其在高性能塑料領域的應用潛力，如高阻氣性包裝材料和工程塑料。

現階段PGA和PHA的生產成本過高，商品化程度較低，而且降解速率太快，貯存穩定性較差。但是，考慮到其具有獨特的性能，且成本在未來有望降低，也被不少行業人士認為其具有較好的發展前景。

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，其應用范圍嚴重受限。

綜上所述， 已商品化的PLA、PBS/PBAT的市場前景最好。但是，若要大范圍替代現有通用塑料PE，不僅生產成本有待進一步降低，而且有賴于一些問題的妥善解決，即提高產品的“PE特性”。

應用領域對比

目前，PLA和PBAT主要應用于日常塑料，最符合現階段的“限塑”政策需求。

根據國內2018年的統計數據，我國一次性塑料制品耗量高達2000萬t，占國內塑料制品產量的33％。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2000萬t的市場。

另外，PLA和PBAT的應用領域雖有重疊之處，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。

其他幾種現階段產業化水平不高的可生物降解塑料基本用于用量少、附加值高的生物醫用材料領域。不過如前 文所述，這些塑料具有PLA和PBS/PBAT所不具有的獨特性能，一旦產業化進程加速，其獨特的相關性能將賦 予其廣闊的應用前景。

結語

隨著世界范圍內垃圾分類和“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，還曾經出現“一料難求”的狀況。