生物塑料

2013-06-07

    随着人们环保意识的提高及技术水平的进步,发展石油基塑料替代品的需求日益强烈,生物塑料也迎来了前所未有的市场契机。如今,已经有越来越多的消费者开始选择满足环保要求的产品,很多企业更是将生物塑料纳入了可持续发展战略中,以减少自身的环境足迹。为此,本刊特别邀请了普立万亚州区市场总监孔军先生与毅兴环保塑料有限公司(以下简称毅兴环保”)生物降解部技术员石扬华先生,围绕生物塑料这一话题进行了深入的探讨。

    PT:近年来,石油资源的短缺使得生物塑料日益成为市场的新宠。然而,作为一种新型材料,很多人对生物塑料的概念并不十分清晰,因此,首先请您就生物塑料这一概念作一简要解释。生物塑料与我们常提到的降解塑料或者可堆肥塑料之间有何本质区别?

    孔军先生:生物塑料、降解塑料与可堆肥塑料都是目前备受关注的环保新材料,它们之间的关系用一句话来概括就是既有联系,又有区别

    生物塑料是以生物质为基础在微生物作用下生成的一类材料。其中,生物质是指自然界中生长的天然高分子物质,包括淀粉、纤维素、蛋白后及壳聚糖等。生物塑料有很多的划分标准,如果按照是否具有降解性来划分,即可分为降解和非降解两大类,所以生物塑料并不一定是降解塑料。

    降解塑料是指制品使用后可部分或完全降解为环境友好小分子的一类塑料,它既可以是生物塑料,也可以是石油基塑料。换言之,虽然目前市场上的降解塑料多是生物塑料,但进并不排除石油基塑料成为降解塑料的可能。

    与前两种塑料相比,可堆肥塑料的定义略显复杂,此类塑料不仅要能通过微生物进行降解,其降解过程还必须符合严格的时间要求。例如,一些堆肥标准规定(欧洲标准EN13432),可堆肥塑料在工业堆肥环境中要能在180天内最终生物降解,不含任何残留重金属,且可堆肥本身没有有害影响并能维持植物生长。

    值得一提的是,材料的可堆肥性取决于制品的厚度,许多塑料制品其较厚的部分难以在规定时间范围内达到堆肥标准。形象一点解释就是,一种可进行膜状堆肥的塑料,其相应的板材或注塑成型制品可能无法实现同样的堆肥能力。

    石扬华先生:总体而言,生物塑料、降解塑料和可堆肥塑料都是有利于环保的新型材料,但它们在本质上有很大的区别。

    生物塑料原指以淀粉等天然物质为原料合成的塑料,但发展到今天,它的定义不再局限于那些用淀粉或谷物制造的可堆肥或可降解塑料,也包括可降解的石油基塑料、不能生物降解的生物基塑料及古有石油基和生物基材料的塑料。

    可降解塑料是指可通过物理和生物因素(光、热、水或微生物作用)降解的塑料,它包括生物降解塑料和非生物降解塑料两类。生物降解塑料是指那些可被环境中微生物完全分解的塑料(参与生物食物链),对这种完全生物降解的判定可通过测试塑料在分解过程中释放的CO2量采实现;非生物降解塑料是那些在高温、UV、催化剂或活化剂条件下老化加速的塑料,这种塑料的降解速度通常比较缓慢,还可能留下碎片迁移到地下水或土壤中,破坏整个生态环境。

    而对于可堆肥塑料而言,除了能通过微生物进行生物降解外,还需要满足在完全降解时间方面的要求。例如,ASTM D6400EN13432标准规定,在工业堆肥环境中,可堆肥材料必须在180天内有90%的有机组分被微生物分解。毅兴环保的全完生物降解塑料完美地满足了IS014855EN13432ASTM D6400的规定,能为客户提供量身订制的、针对特殊应用要求的复合生物降解塑料,及极具成本效益的解决方案,是客户在环保塑料领域的理想合作伙伴。

    PT:目前生物塑料技术的国际发展状况及趋势如何,相比之下,国内生物塑料技术的发展及应用连到了怎样的水平?

    石扬华先生:近年来,生物塑料行业的发展非常迅速,而生物降解塑料更是成为了人们关注的焦点。据欧洲生物降解协会统计,世界生物降解塑料的总产量从2000年的2.8t增加到了2010年的40t,年递增长达30%。及至2012年,世界生物降解材料的总产量已经达到了76t。目前,西欧是位居世界前列的生物降解材料消费市场,约占全球生物降解材料消费份额的50%。西欧国家主要依靠法规来限制非降解材料的使用,从而推动了生物降解塑料的发展。

    在可持续发展和低碳经济的框架指导下,我国的生物降解塑料发展也十分迅速。据中国塑协生物降解协会统计,2003年我国生物降解塑料的产能约为1.5t2007年提高至6t左右,而到2010年底已迅速增加到了15t。例如,浙江海正生物降解塑料股份有限公司已建成了年产5000t的聚乳酸(PLA)生产装置,是目前国内唯一一家实现PLA规模化和商品化生产的公司;宁波天安生物材料有限公司是实现聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)商业化、规模化生产的企业。另外,由CO2与环氧丙烷共聚而成的生物降解塑料PPC在我国的研发技术和产业化水平目前居于世界领先地位。

    PT:目前已开发出的生物塑料种类主要有哪些?与相应的石油基塑料相比,您认为这些生物塑料还存在哪些不足?尚有哪些方面有待于改进?您可举例说明。

    孔军先生:根据客户的目标和需要,市场上已经出现了很多种类的生物塑料,其中发展较好的生物塑料主要有PHAPLA和热塑性淀粉基聚合物三种,选三类材料均为生物降解塑料。热塑性淀粉基聚合物的原材料主要来源于玉米、马铃薯、小麦及木薯等作物,成本较低,可再生,且能够进行生物降解,但其耐水性与透明性较差,通常需要添加其他聚合物来制造有用的产品。PLA是从甜菜、玉米和马铃薯等作物中提取,并通过糖原发酵生产出的乳酸制备而成的,其价格适中,可再生,具有规模、成本优势及优良的透明性,材料的味道小,可用多种方式进行加工。但是,PLAHDT、韧性、阻隔性、熔体强度及结晶速度等方面有待提高。PHA是由特定细菌合成,以脂肪的形式储存的材料,其生物降解环境范围广泛:具有良好的阻隔性与高HDT,可用于印刷与注塑生产。其不足之处在于来源有限、成本较高、透明性差且在加工过程中有较大气味。

    另外,工业上使用的其他生物降解塑料还有木质素,纤维素、聚乙烯醇、聚己内酯、PCSPBAT等几类。

    石扬华先生:目前,市场上的生物塑料多为生物可降解塑料,其按照来源划分,可分为以下3种:微生物台成生物塑料(PHAPHBV)、天然物合成生物塑料(PLA)及化学合成生物塑料(PBSPBAT)

    与通用塑料相比,生物降解塑料的成本要高2-4倍,且它们在降解性、物理性能厦加工性能方面还存在较多的问题。例如,目前应用非常广泛的PLA,具有较高的强度以及良好的透明性、生物兼容性和生物降解性,且最终降解产物是CO2和水,不会对环境造成污染,但其质硬、韧性和耐热性较差且容易弯曲变形,这些缺点大大限制了它的应用。为了拓宽其应用范围,必须通过共混改性或者特殊的加工方法打破其性髓的局限。毅兴环保的一些PLA改性材料的耐热能达到了100℃,韧性也有大幅度提升,这对于纯PLA材料而言是一项很大的突破。

    PT:您认为影响生物塑料商业化进程的障碍是什么?为了消除这些障碍,生物塑料产业链需要作哪些努力?

    孔军先生:日益加剧的环境问题和立法激励,刺激了全球范围内对生物降解塑料的关注与需求,特别是欧盟与日本地区。从整个生物塑料市场来看,目前阻碍生物塑料发展进程的关键因素主要有四个方面,分别是材料的可获取性、性能、知识产权问题及成本。

    虽然目前市场对于生物塑料的关注度极高,但是获得这类材料的途径还是比较有限的,因此为了保证竞争力,还需要大规模的投资及相关的经济扶持;在性能方面,虽然每种材料都有自身的优缺点,但是与传统树脂相比,生物塑料还需要克服许多缺点,才能胜任加工与部件生产;至于知识产权方面的问题,主要是指生物塑料在化学过程、制造与应用方面还需要做大量的专利方面的工作,以避免侵犯企业现有的专利权;在成本方面,生物塑料产品的成本通常是传统树脂的30倍,不但如此,大多数生物聚合物树脂比较或有较高的比重,这意味着在生产部件数量相同的情况下,需要使用更多的原材料。

    石扬华先生:针对这一问题,我想着重从生物降解塑料方面谈一谈。近10年来,生物降解塑料领域已取得了很多的研究成果,材料种类也多种多样,但至今为止没有一种产品真正地走进社会得到大规模应用。我认为,影响生物降解塑料商品化进程的主要有三大障碍——技术成熟度低、价格因素和性能的标准化问题。

    材料的虽终端是制品,而制品依赖于材料的研发和加工技术。但是,国内从事制品加工技术研究的力量尚显薄弱,大部分企业将关注的重点集中在材料的合成上,而忽略了对制品加工技术的开拉。一些生物降解塑料制成的餐饮器具在耐热、耐水及力学强度方面与传统的塑料制品相差较远,而这一点恰恰是生物降解塑料能否大规模市场化的关键。对此,企业可以根据材料的特性,进行有针对性的产品开发,如在阻隔膜、地膜和医疗产品方面,另一方面,需要针对材料在性能方面的缺陷进行改进,以扩大材料的应用范围。

    至于价格方面,生物降解塑料普遍存在成本偏高的问题。在如今的商品经济社会,价格对于产品的作用十分明显,如果价格较高,无疑会使产品的推广和应用陷入困境。虽然现在很多公司都已建成了工业他的生产装置,但其产品始终根难被市场所接受。对生产工艺的简化和创新、提高产量以及国家政策的扶持,对降低生产成本都是有效的解决途径。另外,我认为还可以通过市场竞争来打破价格因素的困扰。近年来,许多新企业进入了生物塑料行业,各生产商之间的竞争也越来越激烈。伴随生产规模的不断扩大,生物降解塑料的价格已经开始呈现下降的趋势,预计未来几年内生物降解塑料的产量会继续增加,价格也会随之降低。

    最后要谈到的是材料的基本性能和降解性能的标准化司题。目前,市场对降解材料的需求与日惧增,为了规范市场、保证产品的可降解性,建立一个完善、统一的降解塑料标准体系尤为重要。虽然各国都出台了一些标准和法规,但还没有一个评估材料环境降解性的国际标准与检测方法,因此造成了技术市场和产品市场的混乱状况。

    PT:贵公司在生物塑料的开发及商业化应用万面取得了哪些成效?目前已掌握了哪些成熟的生物塑料开发及应用技术?你们下一步的发展目标又是什什么?

    孔军先生:市场上的生物塑料普遍存在着耐高温性、抗冲击性和拉伸性能较差的问胚,针对此现状,普立万将工作重心放在了新型可降解塑料与生物材料添加剂方面。早在几年前,普立万就率先推出了具有优良抗冲击性、井可在100℃以上加工使用的聚羟基丁酸戊醛共聚酯(PHBV)可生物降解塑料技术,在此基础上又与垒球领先的家居和办公室配件供应商合作推出了可生物降解的浴室配件,从而使生物塑料在家用塑料制品中的大规模应用成为了可能。如今普立万已经成功实现了PHBV材料的中国本土生产。

    目前,普立万在生物塑料方面的产品主要分为两大类,分别是生物来源材料方案及用于可降解塑料的着色剂与添加剂。

    生物来源材料方案的产品主要有reSoundTM生物聚合材料、reFlexTM生物增塑剂OnFlexTM BIO生物热塑性弹性体及VersafexTMBl0生物热塑性弹性体合金。其中,reSoundTM生物聚合材料含有30%(重量百分数)以上的生物衍生成分,具有与传统工程树脂同等甚至更加优异的性能,比传统生物塑料更经久耐用,能够使耐用消费品领域的生产商们降低其产品对环境的影响。目前,该材料已成功应用在手机外壳等电子领域中,未来还有望在汽车市场大有作为。OnFLexTM BIO生物热塑性弹性体的玻纤填充物与标准材料中含有20%-34%的可再生成分,该产品能应用于建筑、运输、电线电缆及工业市场等领域。

    在用于可降解塑料的着色剂和添加剂领域,普立万的产品主要有OnCapTM BIO生物添加剂与OnColorTMBIO生物着色剂,这些添加剂不含邻苯二甲醢盐,可用于生物衍生聚合物,符合EN 13432(欧盟)ASTM D6400(美国)BPS GREENPLA(日本)DIN CERTCO(德国)多个垒球性可持续性材料工业和合成标准。其中,OnCap BlO Impact T产品的开发应用是技术上的一大突破,它可以改善PLA的刚性和延展性,降低废料率并提高产品的美观度。

    石扬华先生:毅兴环保成立干2007年,是一家致力于生物降解改性,集研究、生产和销售于一身的企业。经过多年的研究与实践,公司已经拥有了自主成熟的生产加工技术体系。介于每一种生物降解塑料的加工工艺条件和性能指标不同,我们通过复合改性的方法,取长补短,使材料的价格、加工性能显制品的物性指标接近市场需求。目前,我们的产品在薄膜、注塑产品、片材及发泡领域都得到了广泛应用。

    随着生物降解塑料市场的发展,很多的大型化工公司对该业务表现出了越来越浓厚的兴趣,在未来生物降解塑料的市场竞争将日趋激烈。现在,生物降解塑料正处于一个较为关键的发展时期,很多供应商正将生物降解塑料在实验室或试验场取得的成果投入商业化生产。对此,我们下一步也将加大投入,积极开拓市场,尽快建立自己的核心品牌。

    PT:最后,请谈谈您对生物塑料行业未来发展的预期和期待。

    孔军先生:许多大公司在生物塑料行业投入了大量的资金,但获得的回报却相对较少。如今,生物塑料市场的驱动因素得到了进一步发展,几乎每一个大型企业和工业公司都已经接受了生物材料的想法,并在这一领域进行投资,因此生物塑料市场的利益与投资规模呈持续增长的态势。

    目前,进入生物塑料市场的公司从原来的化工企业逐渐扩展到了农业公司,生物塑料的性能从单一的可生物降解向生物衍生、可再生成分等方向发展;另外,生物塑料产品也从一改性应用逐渐向耐用方向发展。未来,生物塑料有望在汽车、电子产品及纺织品等更具耐久性的行业中得到应用。

    PT:您还有补充吗?

    孔军先生:在这里还想强调一点,就是希望整个塑料行业谨慎对待生物降解塑料的降解能力。之所以提到达一点,是因为市场上对可生物降解的意义存在很多误解,这些误解可能会影响人们对生物降解塑料的正确使用。

    生物降解的本质是降解,其中会涉及微生物代谢能力以及水、CO2和腐殖质或生物质的生成,是一个十分复杂的过程。一般来说,生物降解过程只有在适宜的降解环境或条件下才会进行,这些环境和条件包括海洋降解、土壤降解和堆肥。很少有生物降解塑料会在垃圾填埋场就能进行生物降解,因为垃圾填埋场不具备适宜的温度、湿度、氧气和微生物等有效降解聚合物的综合条件。所以,如果将生物降解塑料当作垃圾吾弃,同样会对环境造成危害。对此,我们需要建立收集、整理和堆肥等一系列基础设施,如此才能实现对生物降解塑料的高效利用。

    另外还需要注意的一点是,一些声称可生物降解传统聚合物的添加剂仅仅是能将聚合物分解成小分子,而井无明确证据能够进步证明这-过程存在微生物活动。换言之,这种分解过程虽然消除了“可见垃圾,但不能彻底消除污染。

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