当我们谈可降解塑料时,我们在谈什么

概述

自年以来，全球塑料行业持续高速发展，截至目前，全球塑料制品的总产量高达约83亿吨，而总产量的近59%因遗弃或填埋留在了自然界，每年进入海洋的塑料垃圾约~万吨。

据预测，到年全球塑料制品中进入海洋的塑料垃圾量将达到约2.5亿吨。因塑料制品难以降解的特性，逐渐演变出一个不可忽视的全球性问题——“白色污染”，引起了严重的环境污染和生态破坏。

目前，可降解塑料成为替代传统塑料的热门材料。可降解塑料又称可环境降解塑料，是一种从植物来源(如甘蔗、玉米等)衍生的塑料形式，可通过细菌、真菌、藻类等微生物的作用实现自然降解。

与传统塑料相比，可降解塑料不仅能够实现自然快速降解，还能减少对化石燃料的使用，缓解能源危机，同时在生产过程中减少对温室气体的排放。在可持续发展的大背景下，开发可降解的绿色环保塑料包装材料势在必行。

可降解塑料的分类

可降解塑料按不同的环境条件、不同的降解原理、不同的原材料，以及不同的降解特性，可分成不同类型的可降解塑料，下表为可降解塑料的分类及特点。

可降解塑料的降解机理

目前，可降解塑料的降解原理主要有四种，即生物降解、光降解、光-生物降解、水降解。

1.生物降解

普遍认为，生物降解主要通过两个过程。首先，塑料在自然条件下分解成小块，微生物分泌的水解酶与小块塑料的表面进行结合，将高分子链水解成小分子量化合物，如有机酸、糖等。而后，小分子化合物被微生物射入体内，经过代谢，成为微生物体物或转化成微生物活动的能量，最终转化成水(H2O)和二氧化碳(CO2)。生物降解是一个极其复杂的过程，具有生物物理、生物化学效应和其他物化作用(如水解、氧化等)。

2.光降解

为光降解机理。光降解主要是通过光的作用使分子链断裂实现降解过程。在太阳光(波长~nm)的照射下，塑料中的光敏剂或光敏感基团激发出电子活性，分子链发生光化学反应。分子链在一定的温度、湿度以及氧气的环境下发生光氧化反应，分子链转化为可溶性小分子物质，进而实现降解。由于受光条件的限制，光降解存在较大的局限性。因此，光降解只适用于日照时间长，光照充足的地区。

3.光-生物降解

光-生物降解兼具光降解和生物降解的功能。在降解时，以光降解为基础，首先在太阳光的作用下，使塑料中能够实现光降解的部分得到降解，剩余不能进行光降解的部分，通过生物化学作用，使高分子链断裂转化成低分子量化合物，最终实现降解。光-生物降解同时弥补了光降解和生物降解的缺陷，既避免了光降解中光照不足的缺点，同时也克服了生物降解时间长的弊端。

4.水降解

水降解的实质是可降解塑料中存在吸水性物质(含有亲水性基团)，当塑料遇到水后便能实现溶解，这种可降解塑料具有良好的水溶性，但适用于水降解的可降解塑料的种类不多，且大多数材料耐水性差、在水中强度不高。

可降解塑料在包装产品中的应用进展

自20世纪60年代第一项可降解塑料专利的发布，到20世纪90年代可降解塑料实现规模化生产，直至今日全生物降解塑料的问世，可降解塑料历经了近60年的研究和开发。目前，可降解塑料的种类主要有淀粉基塑料、聚己二酸对苯二甲酸丁二酯(PBAT)、聚乳酸(PLA)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚己内酯(PCL)等几十种。

其中，以淀粉基生物降解塑料、PLA、PBAT、PBS为主，合计约占可降解塑料产量的90%。可降解塑料作为传统塑料最具潜力的替代材料，主要应用于农用薄膜、包装材料、垃圾袋、购物袋、保鲜袋、一次性餐饮用具、医疗卫生用品、塑料及薄膜制品、纤维类制品、建筑施工、电子电器等。

其中，包装是目前可降解塑料最主要的应用领域。

一、淀粉基生物降解塑料在包装产品中的应用进展

淀粉((C6H10O5)n)是一种可再生、易降解、来源丰富、价格低廉的高分子碳水化合物，由葡萄糖分子聚合而成。淀粉基生物降解塑料是以淀粉为主要原料，通过共混或共聚加工而成的可降解塑料制品，具有可降解、无污染、降解后的废弃物可堆肥等特点。

但淀粉基生物降解塑料的力学性能较差，且由于亲水性使其对水蒸气和氧气的阻隔性能也较差。经改性后的淀粉基生物降解塑料被广泛用于包装工业中。

二、PLA在包装产品中的应用进展

PLA是以微生物发酵物(乳酸)单体聚合而成的脂肪族聚酯，以玉米、甘蔗、木薯、秸秆等可再生生物质为原料，一般是通过一步法(直接缩聚法)和两步法(开环聚合法)进行制备。

PLA具有原料来源充足、可再生，且具有良好的硬度、光泽度及热塑性，同时兼具良好的抗拉强度和加工性能，但也存在共混性差、价格昂贵等不足。目前，主要通过对PLA进行增塑改性、共聚改性、共混改性和复合改性来实现综合性能的提升。

三、PBAT在包装产品中的应用进展

PBAT的合成主要是通过直接酯化或酯交换法实现，是由苯二甲酸(C8H6O4)、己二酸(C6H10O4)和丁二醇(C4H10O2)缩聚而成，属于热塑性生物降解塑料。

因PBAT分子链中兼具柔性的脂肪族链段和刚性的芳香族链段，使其同时具有良好的柔韧性和良好的力学性能和耐热性。但与传统塑料相比，PBAT仍存在力学性能差、价格昂贵等不足。

为了进一步改善PBAT的综合性能，目前将PBAT与可降解聚合物、天然高分子、无机粉体和非降解聚合物进行共混改性。

四、PBS在包装产品中的应用进展

PBS一般是通过丁二醇(C4H10O2)和丁二酸(C4H6O4)进行缩聚而得，而丁二醇和丁二酸则是通过发酵利用可再生原料(如蔗糖)或者石油基原料生产所得。

PBS具有良好的透光性、印刷性和光洁度，但其熔点较高、加工性能和降解性能较差、价格昂贵，通常采用共聚改性和共混改性来提升加工性能、耐高温性能和降解性能。

可降解塑料面临的挑战

可降解塑料近年来虽呈现快速发展之势，但整个行业仍处于发展初期，作为塑料包装的优先替代材料虽取得阶段性的进展，但仍面临诸多挑战：

(1)生产成本高

可降解塑料制品的价格目前尚难与传统塑料制品竞争，使其推广受到限制。一方面，由于全球“禁塑令”塑料政策的推行，使可降解塑料制品出现“供不应求”的现象；另一方面，目前能够提供可降解塑料制品原材料的厂家和产量均有限，全球对可降解塑料原材料的需求翻倍增长，导致可降解塑料制品的价格居高不下。

传统塑料原材料的价格在几千元一吨左右，而可降解塑料的原材料高达几万元一吨，这就需要通过技术进步来进一步提高生产产能，降低生产成本和产品价格。

(2)技术不成熟

可降解塑料产业化目前仍处于发展初期。可降解塑料的降解周期较长，降解过程缓慢，且部分树脂的骨架在很长的时间内仍无法实现降解。可降解塑料的可控性较差，很难兼顾在使用期内性能不发生变化和在废弃后快速实现降解。可降解塑料的性能较差，使用过程中力学强度低、耐水性差、质地软、易于变形，使可降解塑料制品的性能无法完全满足各种消费的需求。可降解塑料的加工性能较差，成型难度较高。

(3)企业规模小

目前可降解塑料制品的生产企业较多，但大多企业生产规模较小。因生产可降解塑料的回报周期较长，导致企业出现缺乏资金支持和融资困难等问题，无法得到长足的规模化的发展，极大地制约可降解塑料的产业化发展。

(4)评价体系不完善

可降解塑料制品作为新兴产业，目前尚无统一的评价标准、识别标志、质量检验标准，致使市场管理较为混乱。尤其是对于新开发的材料和制品，在上市之前没有独有的产品标准，给产品贸易带来诸多不便和纠纷。

(5)产品低端化

目前可降解塑料产品多集中在中低端领域，普遍属于中低端产品类型，如各类塑料包装袋、垃圾袋、商场购物袋、保鲜袋、吸管等。在高端产品领域(如在高端医疗设备、3D打印、柔性电子等)的应用仍存在空白，在可降解塑料高端新材料领域还需迈出更大的步伐。

可降解塑料的行业发展趋势

(1)高端化

目前，可降解塑料的应用主要在塑料包装、餐具等。未来，可降解塑料或将面向高端市场的应用，可作为3D打印等领域的理想材料。

(2)柔性化

面对即将到来的智能时代，将可降解塑料应用于“柔性电子”领域，设计制作“柔性可降解塑料电子”，柔性电子产业将实现创新性发展，可极大地推动光电信息技术的变革。

(3)多元化

根据产品市场的变化和需求，可降解塑料技术的发展，以及新型材料的开发与研究，可降解塑料的应用范围将实现多元化发展。