中国降解塑料的研究与开发

2001-12-21

1中国降解塑料研究开发概况 中国光降解塑料的研究开发起始于70年代中期,80年代少数几个单位进行了淀粉填充 型崩坏性生物降解塑料的研究,90年代随着环保呼声日益高涨,降解塑料的研究尤如雨后春 笋蓬勃发展,并多次掀起开发生产降解塑料热潮。近年来,中国部分地区在经历了90年代初 期的急燥发展、盲目上马以致经济受到一定损失后,目前降解塑料的发展已比较理智、冷静, 正面对现实,根据国情,从资源、技术、经济、市场、环保等方面统一考虑,研究新技术, 开发新型高效促降解剂,提高降解时控性、快速降解性和完全降解性,开拓新用途,积极研 究科学合理符合国情的试验评价方法和标准,并致力于进一步降低成本。 中国研究开发的降解塑料品种有光降解、光/生物降解、光/碳酸钙降解、光/氧/生物 降解(可环境降解)、完全生物降解、崩坏性生物降解等塑料,以及高填充碳酸钙环境友好材 料等,其中光性物降解、可环境降解塑料地膜先后列入国家“八·五”、“九·五”重点科技 攻关计划;变性淀粉及其生物降解功能母料及制品1999年被国家计委列为产业化示范工程项 目;完全降解塑料聚3-羟基丁酸酯和戊酸酯共聚物(PHBV)、聚羟基烷酸酯(PHAs)、聚乳酸 (PLA)、聚己内酯(PCL)等列入了国家和地方“九·五”重点科技攻关及863计划。总体而 言,除合成型光降解、完全生物降解塑料外,中国降解塑料的研究开发进程与世界同步,技 产水平和世界先进水平接近或相当。 据不完全统计,目前中国有100多家单位从事降解塑料研究,已初步形成产学研相结合 的开发体系。已建成的双螺杆降解母料生产线近100条,能力约100kt,已有部分企业,如 天津丹海股份有限公司、吉林金鹰实业(降解塑料)有限公司、南京苏石降解树脂有限公司、 深圳绿维塑胶公司、深圳德实利(中国)集团公司、海口天人降解塑料有限公司、惠州环美 降解树脂有限公司、宁夏华西降解树脂制品有限公司等已正式投产或批量投产(见表1),产 量约20kt~30kt,其中具有代表性的产品是天津丹海公司开发的淀粉基生物降解技术和生态 系列产品,具有独立自主的知识产权,用其制得的薄膜,变性淀粉等可生物降解成份含量高 达51%以上,育苗体和注塑制品可高达60%~80%。这意味着产品不仅具有良好的生物降解性 能,而且可以节约有限的石油资源,并可大大减少塑料垃圾产生量,符合省资源化和从源头 抓起及减量化的原则。另外由于加入了大量淀粉和促降解助剂,其废弃物有利于堆肥化处理, 是回收利用的一种独特方式,符合再资源化的治理措施,受到国内外极大关注,产品正稳步 进入国内外市场。吉林金鹰实业(降解塑料)有限公司、宁夏华西降解树脂制品有限公司具 备了生产光/钙降解塑料膜制品中超细碳酸钙的含量达51%以上的工业化生产技术。福州师范 大学环境材料研究所开发的可降解、可焚烧塑料材料,通过添加30%以上经表面生物活化处 理的超细碳酸钙,不仅可促进生物降解,而且可减少光敏剂的用量,降低成本,有利于实现 垃圾焚烧及掩埋综合处理,并可达到减量化、省资源化的目的。我国完全生物降解塑料近年 来取得了可喜的进展,其中清华大学、宁波生物技术有限公司、湖南中玉环保材料实业有限 公司、汕头华逸生物工程有限公司等正在进行中试生产和产品应用试验。 中国降解塑料目前开拓的应用领域主要有农用、包装和日用一次性消费品,开发的产品 主要有地膜、育苗钵、肥料袋、堆肥袋、包装膜(袋)、食品袋、超市购物袋、垃圾袋、快餐 餐具、饮料杯、台布、手套、高尔夫球座等等。目前降解塑料地膜处于示范应用阶段,一次 性包装材料及日用杂品正有序地推向市场,并有部分母料和产品已进军国际市场。完全生物 降解塑料处于中试阶段,其产品在医用材料、高档包装材料、涂敷料方面正在积极开拓市场。 表1 国内几家主要生产降解塑料的公司概况 ----------------------------------------------------------------------------- 公司名称:天津丹海股份有限公司 类别:淀粉填充型生物降解塑料、淀粉基生物降解塑料、光/生物降解塑料、环境降解塑料 母料生产能力/(吨/年):30000 主要产品:母料、包装膜(袋)、垃圾袋、台布、餐具、地膜、育苗钵、医用材料、降解塑料 纤维 备注:已获国家环保标志 ------------------------------------------------------------------------------ 公司名称:吉林金鹰实业有限公司 类别:光降解塑料、光/生物降解塑料、光/钙降解塑料、淀粉填充型生物降解塑料 母料生产能力/(吨/年):10000 主要产品:母料、包装膜(袋)、餐具、发泡网、垃圾袋、地膜 备注:已获国家环保标志 ------------------------------------------------------------------------------- 公司名称:南京苏石降解树脂有限公司 类别:淀粉填充型生物降解塑料、光/生物降解塑料、完全生物降解塑料 母料生产能力/(吨/年):7000 主要产品:母粒、包装膜(袋)、垃圾袋、地膜、高尔夫球座 备注:产品主要出口 ------------------------------------------------------------------------------ 公司名称:宁夏华西降解塑料制品有限公司 类别:光降解塑料、光/生物降解塑料、光/钙降解塑料、淀粉填充型生物降解塑料 母料生产能力/(吨/年):2000 主要产品:母料、包装膜(袋)、垃圾袋、地膜 备注:达到行业标准 ------------------------------------------------------------------------------ 公司名称:深圳德实利(中国)集团有限公司 类别:光降解塑料、光/生物降解塑料 母料生产能力/(吨/年):1000 主要产品:母料、包装膜、垃圾袋 备注:已获国家环保标志 ------------------------------------------------------------------------------- 公司名称:深圳绿维塑胶有限公司 类别:淀粉填充型生物降解塑料、光/生物降解塑料、完全生物降解塑料 母料生产能力/(吨/年):1000 主要产品:母料、包装膜(袋)、垃圾袋、餐盒、地膜 备注:部分产品出口 ------------------------------------------------------------------------------- 公司名称:惠州环美降解树脂制品有限公司 类别:淀粉填充型生物降解塑料、光/生物降解塑料 母料生产能力/(吨/年):1000 主要产品:母料、包装膜(袋)、发泡网、垃圾袋、餐具 备注:已获国家环保标志 -------------------------------------------------------------------------------- 公司名称:海南天人降解树脂有限公司 类别:光/生物降解塑料、淀粉填充型降解塑料 母料生产能力/(吨/年):1000 主要产品:母料、包装膜(袋)、垃圾袋 备注:已获国家环保标志 -------------------------------------------------------------------------------- 为配合降解塑料科学地发展,中国也正在积极进行试验评价方法和标准的研究制定工作。 降解塑料研究会协同中国农科院、广州合成材料研究院、中科院上海有机所、上海三林降解 树脂制品公司、福州师范大学环境材料研究所等单位,分别在北京、上海、广州、福州等地 对10个单位的PE降解塑料包装膜、降解EPS餐盒和普通膜、盒进行了土壤填埋、垃圾堆埋 试验,已取得了许多有益的数据。国家塑料制品质量监督检测中心、中国环境科学院参照ISO 14846、ISO 14851、ISO14852、ISO 14855和ASTM 5338-92,结合国情对降解塑料的生物降 解性试验评价方法进行试验研究。1999年国家技术质量监督局发布了《一次性可降解餐饮具 通用技术条件》(GB/T l8006.1-99)和《一次性可降解餐饮具降解性能试验方法》(GB/T l8006.2-99)的国家标准,中国轻工局发布了《包装用降解聚乙烯薄膜》行业标准(QB/T 2461-99),中国环境标志认证委员会经修订后发布了《可降解塑料包装制品技术要求》(HJBZ 012-2000)。 2中国降解塑料市场化进程中的一些问题和思考 为了减轻一次性塑料废弃物对环境的污染,中国正在加速降解塑料市场化进程。虽然近 两年来在实用化进程方面积累了不少经验,但也存在不少阻力和问题。 (1)对降解塑料及其在资源环保中的作用缺乏统一的认识和确切的评价,以至争议不休。 (2)可环境降解塑料在国际上至今尚没有统一的定义和完全建立起统一的试验评价方 法、识别标志和产品检测标准,致使其技术市场、产品市场比较混乱。 (3)降解塑料自身技术,如更合理的工艺配方、准确的降解时控性、用后快速降解性、 彻底降解性以及边角料回收利用技术等还有待进一步提高和完备。 (4)价格在市场经济中起杠杆作用,当前有一些单位价格偏高较难被市场接受,而完全 生物降解塑料高昂的价格更成为其进入市场的壁垒。 通过近10年的研究开发和应用实践,要加速市场化进程,必须端正认识、多方配合、正 确引导,最重要的一点是必须正确认识降解塑料和确切地评价其在资源环境中的作用。 2.1正确认识降解塑料 通过多年的应用跟踪研究,结合中国国情,并从实用性、降解性、安全性、经济性综合 考虑,降解塑料必须达到以下几个要求: (1)实用性:具有与同类普通塑料相当或相近的应用性能和卫生性能; (2)降解性:在完成使用功能后,能在自然环境条件下较快地降解,成为易被环境消纳的 碎片或碎末,最终回归自然; (3)安全性:降解过程中产生和降解后残留的物质对环境无害或无潜在危害; (4)经济性:价格与同类普通塑料持平或略高。 2.2采用产品生命周期分析(LCA)方法评价降解塑料的环保适应性 当前社会上对塑料与环境的关系仅从其废弃物处理难易出发进行评价是不科学的。衡量 任何一种材料的环保适应性必须包括资源的合理利用,能源的节约消耗以及用后易于处理等, 即:必须采用产品整个生命周期分析评价,才能真实反映产品的环保适应性。采用LCA方法 评价降解塑料具有较好的环保适应性,不仅可节约有限的石油资源,节省能源,而且生产过 程中排放的废气、废水少,污染程度轻,废弃物易降解和处理,垃圾产生量也明显减少。 2.3以求实的态度评价降解塑料的应用效果 当前阻碍降解塑料快速推向市场的主要原因是对降解效果的不同要求和评价,降解塑料 产品在完成它的使用寿命后在几天内能快速降解成CO2和H2O,消灭视觉污染,价格又能被 市场所接受,这在目前只能是一个美好理想,是不现实的。实践证明,即使纸制品或完全生 物降解塑料回归自然也需要一定的周期,降解的快慢又相当程度取决于所处的环境条件,而 且其高昂的成本对于需求量大的一次性包装材料和地膜等。也很难被市场接受。因此在当前 的经济条件和技术水平下,对降解塑料的应用效果应进行实际、客观的评价。根据中国农科 院土肥所近10年对降解塑料地膜大田覆盖跟踪试验结果及土壤化学污染和物理污染研究表 明,降解地膜对上壤中的N、P、K无明显影响,也未发现对土壤产生重金属元素铬、镉污染 和微量元素钴、铜、镍、钼等的积累;废弃的地膜只要碎裂成16cm2以下的碎片,其在20 年内的积累残留量对土壤容量、密度、土壤水运动、孔隙、团聚体的污染可能性很小,对农 作物生长也无不良影响。而且聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等主要构成物是无毒的。基于这种 认识,对降解塑料在实用上就无需苛求其在较短时间内必须降解成CO2和H20,当然随着时 间的推移,其最终将回归自然,只不过降解周期比天然材料要长一些,而比普通塑料则大大 缩短。这既有利于市场化进程,又有利于环境保护。 2.4积极推进生物降解塑料与堆肥化相结合的处理技术 垃圾堆肥化处理有利于生物降解塑料的应用,而实际应用表明,高淀粉含量的降解塑料 制品易于堆肥化处理。根据国外经验,为了有利于堆肥化处理,垃圾袋必须采用生物降解塑 料袋,并认为生物降解塑料与堆肥化相结合,是资源再利用及治理一次性塑料废弃物对环境 污染的好办法。 2.5加速研究制定降解性和安全性的试验评价方法标准 为促进降解塑料的研究开发和加速其实用化进程,必须加速研究制定降解性和安全性的 试验评价方法标准。 2.6深化对淀粉填充型聚乙烯生物降解性机理的研究 根据国内外专家,特别是日本大武义人教授10多年的研究,已初步明确:聚乙烯是可以 生物降解的,而且聚乙烯中加入变性淀粉及有关助剂可提高其生物降解性,其降解机理也初 步探明:“聚乙烯中加入改性淀粉可提高其生物降解性。其基本的降解机理是:降解塑料制品 中所含的淀粉在短期内被土壤(或垃圾)中的微生物分泌的酶迅速降解而生成空洞,导致制 品力学性能下降,并伴随空洞的生成,表面积扩大,从而增大与土壤的接触面;同时配方中 添加的自氧化剂与土壤的金属盐反应生成过氧化物,这些过氧化物导致聚乙烯的链断裂,并 降解成为易被微生物吞噬的低分子化合物,随着时间的推移,最终回到生物圈进入自然循环”。 基于这种初步认识,虽有助于降解塑料的研究开发和推广应用,但对其机理研究仍应进一步 加强。 3中国降解塑料市场前景分析 降解塑料的发展尽管存在种种问题和争议,但通过近10多年的研究与应用实践,充分显 示了它无论从地球环境保护的实际角度,或从开发取之不尽的可再生资源,还是从合成功能 性高分子和医用生物高分子的高科技产品视角都具有重要意义,符合可持续发展战略的要求, 因此其前景看好。 3.1从环境保护角度分析 当前世界塑料产量已超过1.5亿吨,发达国家中人均塑料消费量超过100kg,而中国仅约 13kg进入21世纪,随着全球经济一体化的发展,中国的经济水平将大大增长,塑料人均消 费水平也势必进一步增加。据预测2005年中国塑料需求量将达到25000kt水平,如按其中难 以收集的一次性塑料材料和制品占16%计算,则每年产生的塑料垃圾将达到4000kt,由于其 质轻、体积大,在城市固体垃圾中所占体积比例为3:1,增加了收集和处理的难度,面对如 此沉重的环境负荷,如何把它降到最低点已成为全国关注的热点。 国外过去塑料垃圾的处理与城市固体物处理方法一样,仍然是填埋、焚烧、回收利用。 美国主要为填埋,日本和德国则以焚烧回收热量为主,20世纪90年代加强了回收利用,但 由于近年来填埋场地严重不足,焚烧处理又遇到二恶英排放量控制的问题,因此也日益受到 限制。回收利用是保证国民经济持续发展、经济、资源、环境相互协调的有效办法,但现实 生活中,有许多一次性塑料废弃物是难以收集或不宜收集或从经济角度没有价值的,因此采 用降解塑料被认为是明智的选择。特别近年来许多农田土壤受环境及化肥的影响,严重缺乏 有机质,土质逐年下降,因此欧美国家垃圾堆肥化处理发展很快,盛装厨房废弃物和庭院落 叶必须采用生物降解塑料袋,实践证明:生物降解塑料和堆肥化相结合是治理环境污染的一 种好办法。 3.2从合理利用资源分析 20世纪塑料材料的迅猛发展是由于其原料来源建立在丰富的石油化工产品的基础上,据 有关资料报告,世界石油在21世纪中叶将面临枯竭,因此从可持续发展的观点出发,节约有 限资源、合理利用资源和开发新的原料来源成为21世纪初全球性的重要发展战略和焦点。目 前开发的高淀粉、高碳酸钙填充的崩坏性降解塑料,减少了有限石油资源的利用,达到了减 量化的目的,而且经实验室和实地应用检测证明,在一定环境条件下,经一定周期可以崩碎 成易被环境消纳的无害化小碎片甚至粉末,从而使垃圾减容减量,达到减轻或抑制环境污染 的目的。完全生物降解塑料主要采用可年年再生的天然材料为原料来源,不仅节约了不可再 生的石油资源,而且可在较短时间内回归自然循环。 3.3从合成新型材料的角度分析 开发生物降解塑料的重要意义不仅仅在于环保的需要,更重要的是它是一种新型功能性材料 和医用生物高分子材料,如在身体内分解吸收材料;手术缝线、医药农药缓解材料;保水、 吸水性材料;阻氧性材料等,这些塑料作为高科技材料,在满足社会特殊需要和造福人类方 面将展示无穷的威力和前景。 3.4从需求分析 据有关部门预测,刀世纪初中国塑料包装材料需求量将达到5000kt,按其中30%为难以 收集的一次性塑料包装材料和制品计算,则废弃物产生量将达1500kt;中国可覆盖地膜的面 积为5亿多亩,目前覆盖面积仅达到30%左右,加上育苗钵、农副产品保鲜材料等,预计需 求量将达到1000kt;一次性日用杂品和医疗材料中一部分也是难以收集或不宜回收利用的, 预计其需求量达1000kt。据此,难以回收利用的塑料废弃物将达到3500kt。若其中30%采用 降解塑料替代的话,则降解塑料的需求量将达到1050kt,约占中国塑料制品总产量的4%,因 此降解塑料在中国具有较大的国内市场潜力。同时由于中国降解塑料产品品质有保障,而成 本相对低廉,近两年来国外厂商纷纷来华洽谈贸易和合作,因此中国降解塑料也具有较大的 海外市场潜力。

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