生物塑料未來的趨勢

 過去幾年，原油價格的增長使公眾意識到了石油資源的有限性，并增強了人們保護氣候和保持可持續(xù)性發(fā)展的意愿。在塑料材料中，一類特殊的材料——生物材料引發(fā)了人們的興趣。作為補充，生物材料可以在某些領(lǐng)域替代傳統(tǒng)塑料，對于具有遠見的現(xiàn)代塑料工業(yè)來說，這似乎是合理且必要的一步。

如果不事先說明定語“生物”的含義，那么關(guān)于生物塑料的優(yōu)缺點、未來的應(yīng)用以及市場潛力的討論都是沒有意義的。這是斯圖加特大學塑料工程學院的Christian Bonten教授/博士所表達的觀點。因為這正是會產(chǎn)生混淆的地方。

生物降解塑料 123456

除了少量的化學物質(zhì)，生物降解塑料還包括可生物降解的聚合物和添加劑。當高分子在其他降解機制下完全分解后，特殊的細菌及其酶就將生物塑料轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)、二氧化碳或甲烷、水和礦物質(zhì)。歐洲有一種被稱為“可堆肥的”塑料，在12周的時間內(nèi)，這種塑料的90%必須在特定的條件下降解成為尺寸小于2毫米的碎片。只有這樣堆肥設(shè)備才能實現(xiàn)經(jīng)濟運轉(zhuǎn)，且不會發(fā)生故障。在生物塑料進入土壤之前，還必須證明某些重金屬含量沒有超標，不會降低土壤肥力。符合歐洲EN 13432標準的產(chǎn)品可標記為“秧苗”，這是歐洲對堆肥能力的認證標志。在美國，也有成熟的堆肥標準，基本上以歐洲標準為基礎(chǔ)。

與普遍的認知相反，生物降解塑料不一定是由可再生資源生產(chǎn)出來的，也可能來自礦物質(zhì)油。因此，生物可降解性不取決于原材料，而是取決于塑料的化學結(jié)構(gòu)?？缮锝到獾木酆衔镉芯廴樗幔≒LA）、聚羥基脂肪酸酯（PHA）、纖維素衍生物和淀粉，以及礦物油基的聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）和聚丁二酸丁二醇酯（PBS）。另一方面，不能生物降解的聚合物包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚酰胺（PA）。

術(shù)語“生物降解”也被用在其他場合。有些傳統(tǒng)塑料只含有微量的生物基物質(zhì)或可降解物質(zhì)。在適當?shù)臈l件下，這些物質(zhì)會分解成小的幾乎不可見的成分。然而，它們不會完全代謝，這些碎片會在土壤和食物鏈中逐漸積累。 123,123

因此，可生物降解的產(chǎn)品事實上并不能解決農(nóng)村的廢物堆積或垃圾問題。即使是生物降解材料也需要在特定的條件——微生物、溫度和濕度——下耗費幾周的時間才能分解。如果缺少這些條件，塑料就不會分解，因此生物降解可能需要幾年的時間。

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豐田Sai混合動力車內(nèi)飾采用了杜邦™ Sorona®纖維生物基聚合物

生物基塑料 123,123

另一方面，生物基塑料是源于自然界的可再生資源。然而，這些材料也不一定是可生物降解的。形容詞“生物基”只是告訴我們，分子鏈中的碳原子來自今天的自然界，因此是“生物”。

來自于礦物油、天然氣和煤的化石基碳氫化合物也曾經(jīng)是自然的。它們源自于大約5億年前的植物和藻類。在缺氧條件下，經(jīng)過干燥、地質(zhì)過程和細菌分解，它們被轉(zhuǎn)換成“液體化石”或化石基碳氫化合物。參與這些史前過程的細菌與今天用于生物降解的細菌是不同的。 123456

礦物油、煤和天然氣的燃燒會釋放出二氧化碳，5億年前的植物在自身的生長過程中不斷的從大氣中吸收二氧化碳。然而，今天大氣中的二氧化碳濃度已經(jīng)過量，并引發(fā)了一些常見的問題。因此，我們必須將來自于過去的“壞的”二氧化碳和當前的“好的”二氧化碳區(qū)別開來。在科研和生產(chǎn)過程中，人們越來越有興趣使用可再生材料，以便減少化石基碳氫化合物的消耗，從而釋放更少的“歷史性”的二氧化碳到環(huán)境中。

現(xiàn)在，生物基塑料源自于不同的碳氫化合物，例如糖、淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素、木質(zhì)素、生物脂肪和石油。生物基聚合物包括聚乳酸（PLA）、多聚羥丁酸（PHB）、纖維素衍生物（CA、CAB）和淀粉衍生物，以及生物基聚乙烯（PE）。后者完全來自于巴西的甘蔗，與普通聚乙烯具有相同的性能，但不可生物降解。在一定程度上，生物基但不可生物降解的聚合物起碼還包括天然纖維增強的傳統(tǒng)塑料、聚酰胺和聚氨酯。

生物基塑料在改進生命周期的評估方面，無疑會做出有價值的貢獻，雖然貢獻相對較小。世界上只有少數(shù)化石資源被用于塑料的生產(chǎn)。超過三分之二仍然被用于發(fā)電和能源的輸送。由此可以看出，生物基塑料顯然不會導(dǎo)致糧食短缺。

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生物塑料的全球產(chǎn)量

塑料的需求在穩(wěn)步增長。制造商協(xié)會PlasticsEurope預(yù)計，2011年全球的聚合物產(chǎn)量為2.8億噸。其中大約2.35億噸被用作塑料原料，目前為止，這項調(diào)查還沒有獲得生物塑料的產(chǎn)量數(shù)據(jù)。

由于市場的快速增長，歐洲生物塑料協(xié)會（European Bioplastics）預(yù)測，到2016年，全球的生物塑料產(chǎn)能將達到580萬噸左右。德國nova-Institut 公司于2013年3月所做的一份研究報告則更加樂觀。根據(jù)該公司的估計：到2016年，生物塑料的產(chǎn)能將超過800萬噸；到2020年，將達到1200萬噸。

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基于可再生原材料的塑料產(chǎn)量已經(jīng)有了快速的提升，雖然其總體水平相對于石油基塑料來說還比較低。據(jù)制造商協(xié)會European Bioplastics報道，2009年，生物降解塑料的產(chǎn)量大約有幾十萬噸，占生物塑料全球總產(chǎn)能的絕大部分份額。但是自2010年以來，生物基塑料的增長速度已經(jīng)遠遠超過生物降解塑料。據(jù)該協(xié)會預(yù)測，盡管生物降解塑料的產(chǎn)量在不斷增長，但到2016年，它們大約只能占到生物塑料總產(chǎn)量的七分之一。生物塑料中絕大部分將是生物基塑料，而不是生物降解塑料。 123456

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圖1：2011年生物降解塑料和生物基塑料的產(chǎn)能，及其2016年的產(chǎn)能預(yù)測（數(shù)據(jù)來源：歐洲生物塑料協(xié)會、漢諾威大學應(yīng)用科學和藝術(shù)學院、IfBB—生物塑料和生物復(fù)合材料學會） 123,123

圖2：2011年不同類型的生物塑料的產(chǎn)能（數(shù)據(jù)來源：歐洲生物塑料協(xié)會、漢諾威大學應(yīng)用科學和藝術(shù)學院、IfBB—生物塑料和生物復(fù)合材料學會）

生物聚合物區(qū)域產(chǎn)能的市場份額正在發(fā)生轉(zhuǎn)移。生物塑料和生物復(fù)合材料研究所（IfBB）指出，2012年，歐洲的產(chǎn)能份額大約為17%，而到2016年，這一份額將下降大約五個百分點。IfBB預(yù)計，亞洲和南美洲將會有較大的增長——南美地區(qū)的產(chǎn)能將從2012年的30%左右增長到2016年的45%以上。 123,123

標準的提升——生物塑料也不例外 內(nèi)容來自123456

隨著技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展，塑料必須滿足日益提升的標準。生物塑料也不例外。就可重復(fù)性而言，它們?nèi)匀挥刑嵘目臻g；就阻隔性能、耐久性以及與其他生物聚合物和添加劑的兼容性來說，仍然有很多需要改進的地方。生物塑料從第一代性能較差的純生物聚合物發(fā)展至今已經(jīng)走過了很長的一段路。但最終，生物塑料的長期成功將取決于價格、生產(chǎn)能力和穩(wěn)定性。 123456

生物塑料及其當前應(yīng)用 內(nèi)容來自123456

生物降解塑料通常被用于特別需要降解性能的應(yīng)用中。

生物基塑料現(xiàn)在也被用于家電和汽車領(lǐng)域。塑料在汽車工程領(lǐng)域的份額在過去幾十年里一直穩(wěn)步上升。這一行業(yè)所用的生物塑料的比例現(xiàn)在也在增長。例如，僅在日本有售的豐田Sai混合動力車，到2011年款為止，其內(nèi)部裝飾和設(shè)備80%是由可再生原料制成的。它采用的可能是生物基PET，這是一種源自甘蔗的塑料。這種塑料具有溫度穩(wěn)定性，適用于汽車內(nèi)飾，還具有低收縮傾向和良好的機械性能。生物基PET的碳足跡據(jù)說比礦物油基的傳統(tǒng)PET要小得多。但是，源自大豆的PLA和聚氨酯（PU）泡沫今天也被廣泛應(yīng)用于多種汽車部件中。幾乎所有的汽車制造商都在他們的車型中采用生物塑料，并努力增大生物塑料的用量。 123456

帝斯曼公司宣布其開發(fā)的EcoPaXX® 生物基聚酰胺用于大眾汽車集團最新研發(fā)的柴油發(fā)動機上。帝斯曼EcoPaXX®聚酰胺410產(chǎn)品70%的原材料來源于可再生資源。零部件生產(chǎn)商KACO采用的生產(chǎn)工藝不僅僅只是注塑成型，而且將兩個獨立的密封單元整合為一體：首先PTFE密封條由機械手放入模具中，以嵌件成型方式將EcoPaXX注塑成型；隨后，將LSR通過雙色成型工藝直接成型到整個部件中。這樣，生產(chǎn)過程中所需能耗減少，而且實現(xiàn)了廢物零排放。最終所獲得的曲軸端蓋成品要比同類鋁制產(chǎn)品重量更輕，從而保證了車輛能夠在整個使用壽命期間保持高效行駛的狀態(tài)、節(jié)約燃油并降低二氧化碳排放量。 123,123

帝斯曼公司宣布其開發(fā)的EcoPaXX® 生物基聚酰胺用于大眾汽車集團最新研發(fā)的柴油發(fā)動機上 內(nèi)容來自123456

又比如，贏創(chuàng)開發(fā)的新型聚酰胺產(chǎn)品VESTAMID® Terra 可由部分或全部基于可再生原材料生產(chǎn)，目前其最主要的原料來自從蓖麻籽中提取的蓖麻油。蓖麻油這是一種保質(zhì)期長，在全球許多地區(qū)都可種植的可再生植物，能夠確保供應(yīng)的安全性和短途運輸，亦對生態(tài)友好。此外，由于蓖麻油可以再生，有利于節(jié)約石油等自然資源。VESTAMID® Terra系列產(chǎn)品包括PA610，含62%的生物可再生原材料；PA1010和PA1012，含100%的生物可再生原材料。在具有高環(huán)保特性的同時，VESTAMID® Terra 家系列產(chǎn)品很好地保留了聚酰胺的優(yōu)異的性能，用廣泛應(yīng)用于對耐久性和技術(shù)精密性有嚴苛要求的產(chǎn)品中。例如：Terra HS產(chǎn)品能耐高溫，因此非常適用于需耐受高溫的零部件，例如汽車發(fā)動機蓋等。

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贏創(chuàng)開發(fā)的新型聚酰胺產(chǎn)品VESTAMID® Terra 可由部分或全部基于可再生原材料生產(chǎn)，目前其最主要的原料來自從蓖麻籽中提取的蓖麻油。

生物塑料是唯一的好塑料？ 123456

在所有針對生物基和生物降解塑料的積極評價中，人們常常忘記，它們的生產(chǎn)也需要消耗化石燃料——作物的播種、收割、運輸和發(fā)酵等。因此，考慮產(chǎn)品的整個生命周期是很有必要的，因為只有這樣才有可能進行科學合理的生命周期評估比較，對產(chǎn)品的可持續(xù)性做出有理有據(jù)的論斷。 copyright 123456

關(guān)于耕種面積競爭的爭論

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農(nóng)業(yè)用地是否應(yīng)該用于食品生產(chǎn)之外的用途是一個頗具爭議的問題。在這里，值得再次進行更加仔細的區(qū)分。斯圖加特大學塑料工程學院的Christian Bonten教授/博士認為，關(guān)于糖類用作生物材料會引發(fā)食物短缺的擔憂是沒有事實依據(jù)的。“事實上，源于植物的碳資源不能滿足世界的能源需求，以及用于塑料生產(chǎn)的糖類需求量很低，這兩種情況不能混為一談。” Bonten說。據(jù)歐洲塑料協(xié)會（European Plastics）報道，在歐盟，2011年僅有0.05%的耕地面積用于滿足全球生物塑料的總需求。此外，在某些地區(qū)，生物塑料的生產(chǎn)有可能采用的是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廢棄物。 本文來自123

為了防止引發(fā)中長期的競爭，這一原料的獲取途徑必須得到進一步的開發(fā)。歐洲塑料協(xié)會的溝通總監(jiān)Kristy-Barbara Lange在2012年5月接受杜塞爾多夫展覽公司的采訪時表達了相似的觀點。“生物煉油行業(yè)正集中研究和開發(fā)利用第二代原材料的途徑，例如將谷物秸稈、玉米秸稈和其他纖維素基材料作為潛在的來源。” Lange繼續(xù)到，一旦這些可能性成為現(xiàn)實，基于非食品作物的可發(fā)酵性糖類將可用于能源、化學品和聚合物的生產(chǎn)。因此，土地是用于食品還是原材料生產(chǎn)的潛在沖突將會越來越少。

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最后，可以說，沒有什么可以阻擋生物塑料（生物基塑料或生物降解塑料）的發(fā)展。在許多地區(qū)，生物塑料已真正替代傳統(tǒng)塑料，那些關(guān)于它們（還）不具備競爭力的觀點將難以維持下去。然而，它們不是解決所有環(huán)境問題的萬能靈藥。此外，生物塑料還遠遠無法實現(xiàn)完全的碳中性，目前它們還處在極早期的不成熟階段。但它們確實鋪設(shè)了一條通往后石油時代的道路。 123456