塑料污染治理背景下一次性塑料产品替代与降解升级技术一览

魏风军 李林林

生物降解塑料是指一类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塑料。理想的生物降解塑料是一种具有优良的使用性能、废弃后可被环境微生物完全分解、最终被无机化为自然界中碳素循环的一个组成部分的高分子材料。自2020年1月19日国家塑料治理污染意见颁布以来，各类一次性塑料产品替代与降解升级技术层出不穷，都在一定程度上具有一定的作用。本文试就此予以分析。

一次性塑料产品替代技术

1.聚乳酸

聚乳酸（PLA）是一种合成脂肪族聚酯，原料来源广泛且可再生，其生产过程无污染，所得产品可以生物降解，是典型的“绿色塑料”。在生物降解塑料材料的发展领域备受关注，同时也是理想的绿色包装材料之一。PLA在包装、纤维、医用三大领域有广泛的应用，尤其是在包装方面的应用更为 广泛。

PLA在包装中的应用主要包括聚乳酸薄膜、聚乳酸包裝膜、聚乳酸一次性餐具等。目前，生物降解塑料中聚乳酸、琥珀酸共聚物及改性淀粉塑料已经上市供应，但由于其昂贵的价格而无法大量推广，比如现在PLA一般用在人工器官、医药缓释材料、手术缝合线等费用较高的场合。但是据美国预测，再过几年的时间，以玉米为原料生产的生物降解塑料价格将有所下降，PLA的发展也将得到很大的提升。

在一次性塑料产品替代方面，PLA主要用于塑料袋、餐具、食品包装和3D打印，比如PLA一次性食品包装袋和PLA食品杯，其中PLA食品杯只需60天就可以完全降解，真正达到了经济以及生态双重效应，对于白色污染的治理作出积极的贡献。

2.聚羟基丁酸酯

聚羟基丁酸酯（PHB）是聚酯类聚合物，隶属于PHA家族，由法国微生物学家Maurice Lemoigne首次分离并取得。巴西圣保罗大学技术研究所和生物医学研究所以及圣保罗地区甘蔗乙醇合作社生产出PHB后，发现PHB具有与合成树脂如PP类似的物理以及机械特性，最重要的是可快速降解，比如传统塑料降解需要100年，PHB产品只需12个月就能分解，并且释放出的只有水和二氧化碳，不会对环境造成严重的污染，对环境具有重要的保护意义。20世纪80年代，ICI公司制成PHB薄膜，使其商业化生产开始成为可能;Michigan大学也曾用改变植物基因的技术来生产少量的PHB，但是化学合成法制PHB一直尚未成功;Micromidas Inc.研究小组通过城市污水中的细菌生产PHB，该项尝试显示了人类废弃物和可生物降解塑料生产的未来愿景。

在一次性塑料产品替代方面，PHB可以用于一次性餐具、无纺布、包装材料、农用覆膜、玩具、包膜、胶、纤维等多种可降解产品。然而由于PHB价格昂贵，性能方面有所欠佳，故其推广应用相对较难，但是该类材料无毒且易于降解，所以还是有着广阔的市场，性能的改善以及价格的降低研究将会是今后对PHB的主要研究方向。

3.聚乙烯醇

聚乙烯醇（PVA）是一种水溶性高分子，由美国Air Products公司开发生产，可以通过控制聚醋酸乙烯酯的水解程度并添加相应的添加剂来提高其稳定性，其商品名为Vinex，可溶于热水或者冷水。水溶性PVA薄膜为国际上一种新型塑料降解产品，它利用了PVA的成膜性，水和生物两种降解特性，在湿环境中有泥菌存在时6个月内可完全降解为二氧化碳和水，属于绿色高新环保包装材料。

在一次性塑料产品替代方面，在欧美、日本，水溶性PVA薄膜已广泛应用于各种产品的包装。在我国水溶性PVA薄膜的发展还处于起步阶段，工业性研发在近5年才真正有所展开，主要应用在刺绣及水转印（玻璃、陶瓷、电器外壳等的彩色印刷）两个领域，PVA在这方面的年使用量约1万吨。

4.二氧化碳共聚物

国外最早研究二氧化碳共聚物的是美国和日本，但是一直没有进行工业化生产;国内内蒙古蒙西集团公司采用长春应用化学研究所的技术来生产二氧化碳共聚物生物降解塑料，其产品主要用在包装和医用材料上。中科院广州化学研究所陈立班博士开发的低分子量二氧化碳共聚物技术也已在江苏泰兴开始投入生产，品种为低相对分子质量二氧化碳/环氧化合物共聚物，用来作为聚氨酯发泡材料的原材料，用于家用电器的包装。

在一次性塑料产品替代方面，二氧化碳共聚物主要用于农用塑料膜制品、包装材料、垃圾袋等多种领域。由于二氧化碳共聚物具有良好的阻气性、透明性和全降解特性，在食品包装、食品保险、药物包装、医用材料等方面有其独特的  优势。

由于二氧化碳是自然界一种比较廉价的碳氧资源，因此以二氧化碳为原料合成可生物降解的脂肪族聚碳酸酯便成为了研究的重要课题。聚丙撑碳酸酯（PPC）是由二氧化碳和环氧丙烷共聚所制得的，因其分子链比较柔顺，玻璃化转变温度低，氧阻隔性好，而且具有良好的生物相容性和生物降解性，因此受到了广泛的关注，但由于其存在热性能和机械性能差的缘故，PPC的工业化还处于初级阶段，需要不断开发新型高效催化体系，改进聚合工艺，大幅降低生产成本;另一方面，由于PPC具有明显的成本优势，通过共聚、共混等改性方法有望在片材、胶黏剂等多个领域有重要的应用前景。目前已有多家公司比如美国的Empower materials和Novomer公司、中国的蒙西集团、韩国的SKEnergy公司等进行相关的产业化尝试。

5.聚己内酯

聚己内酯是由ε-己内酯经开环聚合得到的一种低熔点聚合物，其熔点仅62℃。PCL的降解性研究从1976年就已开始，在厌氧和需氧的环境中，PCL都可以被微生物完全分解。与PLA相比，PCL具有更好的疏水性，但降解速度较慢;同时其合成工艺简单、成本较低。PCL的加工性能优良，可用普通的塑料加工设备制成薄膜及其他制品。PCL是一种商品化的生物基可降解塑料，质地非常柔软，具有较大的延展性，而且具有优良的生物相容性、记忆性，广泛应用于医疗领域，如组织工程支架材料，可以被人体吸收排泄。

6.聚丁二酸丁二醇酯及其共聚物

聚丁二酸丁二醇酯（PBS）由丁二酸和丁二醇经缩聚而得。与其他生物降解塑料相比，PBS力学性能十分优异，接近PP和ABS塑料;耐热性能好，热变形温度接近100℃，改性后使用温度可超过100℃，可用于制备冷热饮包装和餐盒，克服其他生物降解塑料耐热温度低的缺点;加工性能好，是目前降解塑料中加工性能最好的，同时可以共混大量碳酸钙、淀粉等填充物，得到价格低廉的制品，其综合性能优异、性价比合理，具有良好的应用前景。

全球能够产业化并且已经市场化生产PBS的国家有日本和美国，日本昭和高分子公司和美国Eastman公司建有规模分别为5000t/a和15000t/a的生产装置。我国PBS产业化进程也在积极推进中，2007年，杭州鑫富药业公司采用中科院理化技术研究所工程塑料国家工程研究中心自主研发的PBS生产技术，建成3000t/a PBS生产线;安徽安庆和兴化工公司采用清华大学技术，已建成万吨级的PBS生产线，这是目前世界上最大的生产装置。

在一次性塑料产品替代方面，可广泛应用于包装、可堆肥降解餐具、化妆品瓶以及药用瓶、一次性医疗用品、农用地膜、农药以及化肥缓释材料、生物医用高分子材料等领域，可有效地从根本上解决白色污染的问题。

一次性塑料产品降解升级技术

1.淀粉

根据淀粉（Starch）量的多少，淀粉类降解塑料包括生物降解塑料和添加型生物降解高分子材料两大类。淀粉广泛存在于植物中，属于多糖类化合物，本身就属于具有良好生物降解性的天然高分子。但由于淀粉本身质脆，因此需要经过改性才能用作降解材料使用。由意大利Montedison集团的一个新公司Novamont开发生产的Mater-Bi是以淀粉为基础的一种热塑性树脂，实验证明无论是在有氧还是在厌氧环境下，Mater-Bi均易降解，属于生物降解塑料。

在一次性塑料产品降解技术升级方面，玉米淀粉可降解餐具，是采用天然玉米淀粉及植物纤维为基料，辅之以生物聚酯、多元醇等物质加工而成，其淀粉含量最高可達80%，在土壤和自然环境下可以自然降解，对环境无污染、无破害。随着禁塑令的颁布，当前国内国际市场对玉米淀粉餐具需求加大，据悉，此种产品已经登陆意大利、美国等欧美多个重视低碳环保的发达国家，获得认可与好评。从长远来看，玉米淀粉环保餐具有望逐渐普及，成为餐具产品的主流。

2.ADM厌氧生物降解母粒

ADM厌氧生物降解母粒是一种有机添加剂，由传统塑料注入厌氧有机助剂制成，该助剂通过有细菌引起的化学活动把塑料引入生物降解阶段，最后只留下自然气体和生物能量。添加ADM厌氧生物降解母粒后塑料能够通过厌氧消化在垃圾堆填区里进行生物降解，并能在家庭堆肥中自然分解。该降解母粒通过一系列的化学和生物程序把塑料引进生物降解的厌氧环境里（该程序称为生物同化），允许微生物制造一种生物膜结构来渗透塑料。该生物膜只在无氧/厌氧的情况下形成，即垃圾填埋场和深海环境中;同时有助于扩大分子结构，为微生物制造更大空间并在聚合物链上发出吸引其他微生物的化学信号来进食塑料，提升了生物降解速率，其让塑料制品仅产生水、二氧化碳、沼气和腐殖质（有机质），这与有机质相同的生物过程和残留物是相同的。

在一次性塑料产品降解技术升级方面， ADM厌氧生物降解母粒可以添加到PE类购物袋、垃圾袋、背心袋、快递包装袋、气泡膜、气泡袋等类制品中，也可以添加到PP类注塑、吸塑餐具、托类制品中，PS、PVC、PET等塑料制品中，实现全生物降解，其不改变原有塑料制品的设备和工艺，是当前一次性塑料产品污染治理中较为可靠的降解升级技术。

1.国内各企业一次性塑料产品替代与降解升级技术相关产品及产能分析

截至2019年，国内生物降解塑料企业产能利用率基本不到50%，生物降解塑料行业平均产能利用率在30%左右，按此测算，2020年中国改性塑料产量约为19.5万吨，其中大部分出口至欧洲市场。随欧洲、澳大利亚及韩国等地区生物降解塑料需求大幅增长，国内生物降解塑料出口未来将保持较快增长，产能利用率将快速上升。

结语

不同类别的生物降解塑料在不同的领域担任了不同的角色，如聚乳酸将在发酵技术提高的前提下，提高聚合工艺，从而使其得到广泛推广和应用;ADM厌氧生物降解母粒将在购物袋、餐具、玩具等领域发挥重要作用;淀粉塑料在将来会替代聚乙烯材料制成一次性生活用品和农用地膜等。生物降解塑料为人类展示了一个环境科学，也是解决环境问题的重要手段之一，相信随着更多的国内外政策、标准和相关技术的逐步出台、落实和完善，我国生物降解塑料技术革新、检测评价与标准体系也会越来越完善，有关生物降解塑料的制造、加工、应用、可回收等技术也将更加成熟，我国生物降解塑料必有良好的发展前景。

作者单位：河南科技大学软包装研究中心

责任编辑：王蕾 wl@cprint.cn