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生物聚合物塑造可持续未来
姚景江伟肖铁树

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对塑料而言，环保“三剑客”— 回收(Recycle)、再用(Reuse)和减量(Reduce)似乎演义着“王子与贫儿”的故事。这种由石油变来的东西为无数草根带来财富，但给环境带来疲乏。太平洋最近发现一座“新大陆”，由废弃的产品、生活塑料组成，面积接近海南岛，有毒分解物已进入海洋生物的食物链。垃圾飘岛如何形成？全世界每年处理130亿只塑料废弃瓶，一次回收、二代再用、三代弃置填埋，海洋垃圾如此形成，绝非偶然。非典、甲流，一个又一个新生疫毒是否让我们想起受污染的大地？由石油变来的东西变不回石油，没有石油的日子我们又怎样过？《创世纪》说：人源于尘土，终归于尘土。相信造物主“生命不息”之道启示了当今可持续运动。正象“可持续包装联合会” (www.sustainablepackaging.org) 两位组织者William McDonough和Michael Braungart在环保论著《从摇篮到摇篮：重新制定制造方式》问道：你的产品是否保证在生命周期内对个人、群体和环境带来利益、健康与安全（EHS）？可持续、益于未来环境的绿色塑料应声而出？IBM研究所华人总裁Josephine Cheng说：“有机催化物新家族为绿色化学带来活力，打开了众多全新应用之门，如制造生物降解塑料和改进回收工艺”。IBM与斯坦福大学的联合研究成果将极大改进普通石油塑料和植物基塑料的回收与再用性。绿色塑料绿色塑料活力在全球金融危机中展示出来，2005-2009年市场翻倍增长，2009-2014年预计年增长13%，其中食品包装、餐具和刀叉市场强劲。政府法规、成本下降、消费者对填埋的关注、化石燃料不可依赖性、减少温室效应和气体排放等等构成了环保新产品推广应用的合力。可口可乐、百事可乐、三星、现代等全球性知名品牌对生物塑料趋之若骛，以此提升企业形象。可口可乐推出含30%植物基塑料的植物瓶（PET PlantBottle）；三星新款手机含植物基材料；德国最大的打折店Aldi开始提供生物降解购物袋；现代新款混合动力车内饰件用上了PLA。百事宣布使用生物塑料包装菲多利薯片。嘉吉公司（Cargill）称美国聚乳酸（PLA）树脂目前供不应求，尽管其成本高于其它商品树脂，未来十年全球PLA需求量每年过亿磅，制品包括薄膜、纤维、非织造、泡沫、硬质塑料（吹、热成型、模塑等）、纸板挤压涂料。嘉吉是世界上最大的PLA树脂制造商，使用玉米淀粉和糖甜菜细菌发酵技术生产生物树脂。美国绿色塑料制品产业链逐步形成，受消费者环保意识推动，零售业支持制造商开发PLA日用品。例如，餐具生产商Nviroplast采用生物塑料生产刀叉和碟盘，2009年产值300万美元，预计今年可快速增到1000万美元。在产品包装上，Nviroplast采用了可降解生物膜，吹膜商BI-AX公司利用不同规格、可印刷PLA膜材、片材生产购物袋、食品罩、标签、DVD/CD碟盒、硬质化妆品盒和折叠箱等各种包材。PLA由NatureWorks提供，生产原料为玉米淀粉。环境PLA 与石油塑料不同，聚乳酸产品具有出色的生物降解性能，使用后的固体废弃物在土壤和水中能被微生物完全降解成水和二氧化碳，无毒无害，对环境无污染：若进行燃烧处理，聚乳酸塑料燃烧所释放的热量约为PE、PS等通用塑料的一半，且燃烧时不产生有毒气体。聚乳酸生产是以乳酸为原料，传统的乳酸发酵大多用淀粉做原料，目前中国、美国、法国、德国、日本等国家已开发利用农副产品为原料发酵生产乳酸，进而生产聚乳酸。一切含淀粉的农产品甚至普通的植物，都是聚乳酸的可用原料。聚乳酸以地球上不断再生而取之不竭的农作物作为原料，符合可持续发展的要求。在这一点上聚乳酸可以摆脱石油化纤的原料威胁，与当今的通用塑料包装材料相比显示了极大的优势。中国是一个农业大国，玉米、小麦等农产品为聚乳酸的生产提供了可靠的原料来源。随着聚乳酸的更广泛应用，它可以缓解农产品的出路，提高农产品的附加值。玉米产量高，生产成本低。玉米的深加工可以提高其附加值，刺激农民种植的积极性，具有重要的国民经济发展和战略意义。（图片）生物降解塑料制品使用前后对比技术PLA 聚乳酸(PLA)是一种重要的可生物降解的高分子材料。它是一种通过化学合成法合成的生物降解塑料，与之相似的代表性产品包括聚己内酯(PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、脂肪族／芳香族共聚酯、二氧化碳／环氧化合物共聚物(APC)、聚乙烯醇(PVA)等。这类塑料是由自然界存在的微生物如细菌、霉菌（真菌）和藻类的作用而引起降解的，对环境的污染很小，市场前景十分广阔。相比普通塑料，这些生物降解塑料的价格明显更高，生产技术及工艺要求更为复杂，仍有待于提高性能、降低成本和拓宽用途。 PLA是一种无毒、无刺激性、强度高、加工性能优异的透明坚硬热塑性塑料。聚乳酸最突出的性能就是它优良的生物降解性。和其他生物可降解塑料相比，聚乳酸有很多独有的有利特性，如良好的光泽性和透明度，外观和利用聚苯乙烯所制的薄膜相当；聚乳酸薄膜具有良好的刚性、不会自行恢复折叠性能、耐油脂和良好的气味隔绝性能、良好的印刷性等二次加工性能。聚乳酸薄膜除了有生物可降解塑料的基本特性外，在使用过程中，产品表面可形成弱酸性环境，具有抑菌作用。但是，聚乳酸也有很多特性限制了其在纺纤、注塑、泡沫塑料、衬垫包装以及食品包装领域的应用，在高附加值应用领域的使用也受其机械性能、热变形温度、气体穿透性、耐久性等性能的限制。（图片）生物降解塑料板使用前后对比聚乳酸生产以乳酸为原料，主要有直接缩聚法和“二步法”，后者技术较为成熟和普遍，如美国NatureWorks公司即采用二步法生产聚乳酸。我国海正公司与中科院共同研制的聚乳酸生产技术也与此相似，主要过程是原料经微生物发酵制得乳酸后，再经过精制、脱水低聚、高温裂解，最后聚合成聚乳酸。这种工艺可得到分子量较高的聚乳酸，但其流程冗长、成本高，而且丙交酯必须经过提纯。市场PLA 聚乳酸的用途十分广泛，已用于包装、医疗、工农业、服装等领域，市场前景非常广阔。聚乳酸适用于挤出、注塑、拉伸、纺丝、吹塑等各种加工方法，加工方便，适用于加工从工业到民用的各种塑料制品、快餐饭盒、包装材料和纺织品等。由于聚乳酸还具有优良的生物相容性，其降解产物能参与人体代谢，可用作医用手术缝合线、注射用胶囊、骨科用固定材料、眼科用材料等新型功能性医用高分子材料。聚乳酸使用后能被自然界中微生物完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境。采用聚乳酸做包装材料，可有效地解决严重危害人类生活和生存的“白色污染”问题。同时，与传统热塑性塑料相比，聚乳酸作为包装材料有以下优点：(1)聚乳酸薄膜具有和玻璃纸膜、金属薄片等相媲美的完全折叠性和缠结保持力，即可以弄皱或折叠，这些是普通塑料膜所不具备的。 (2)聚乳酸的高透明性和光泽度可以和玻璃纸相比，是普通聚丙烯薄膜的2到3倍，低密度聚乙烯的10倍。 (3)乳酸的基本重复单元使得聚乳酸是一种内在极性的材料，这种高的极性导致聚乳酸具有高的表面能，从而产生良好的印刷性能，此外它还能够阻止脂肪族分子的透过，具有很好的抗油性。以上的这些优点，注定聚乳酸会在包装领域大放异彩。因聚乳酸的热性能、疏水性强、脆性高、耐冲击强度低、降解周期难控制、成本较高等因素，限制了它的更广泛应用。为了降低聚乳酸的成本，改善力学性能，扩大其应用范围，一般采用与通用塑料共混或共聚、使聚乳酸结晶化、改良加工工艺的方法使其改性。发展PLA 至今仍没有出现第二个相当于NatureWorks的工业级工厂。分析限制聚乳酸工业发展的原因包括： 1、聚乳酸的高成本成为制约其制品大规模推广的瓶颈，使其还不能代替大量使用的普通塑料，阻碍其进入市场。 2、聚乳酸性能的限制。生物降解塑料在不同应用领域要求有不同的降解速度，如在作包装材料时要求有一定的使用期，作医药材料时则要求降解速度快，要做到能有效控制降解时间，在技术上还有待提高。如淀粉塑料农用地膜由于其降解速度难以控制而影响其应用。改善聚乳酸的性能还需要很长的研究过程。 3、在不好判断市场效益、而且技术也不是很完善的时候，建造聚乳酸工厂的巨大风险和前期投入。 4、政府促进聚乳酸产业政策的不足。 5、标准问题。目前，国际上没有统一、完整的生物降解塑料的评价试验方法，聚乳酸产品堆肥和回收内部机制建立的缺失等。 6/29/2010


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