PHA可能是世界上用途廣泛的材料

PHA：可能是世界上用途最廣的材料！既可以當(dāng)塑料，也可以“吃”！天然PHA材料，既能應(yīng)用于熱塑性塑料、熱固性塑料、彈性體、潤(rùn)滑劑、膠、粘合劑等傳統(tǒng)的塑料應(yīng)用，也能應(yīng)用于一些非傳統(tǒng)的聚合物應(yīng)用，如動(dòng)物飼料、人類(lèi)和動(dòng)物的細(xì)胞再生、反硝化和化妝品等。

1、世界上用途最廣的材料？

我們認(rèn)為，天然PHA材料展現(xiàn)其巨大的應(yīng)用多功能性，勝過(guò)其他任何現(xiàn)有材料所能達(dá)到的。原因是，自然界許多地方都存在天然的PHA材料，甚至出現(xiàn)的時(shí)間遠(yuǎn)超人類(lèi)。PHA代表聚羥基脂肪酸酯，它可以有無(wú)數(shù)個(gè)不同的基團(tuán)。因而我們直言PHA的性質(zhì)是無(wú)意義的，因?yàn)椴煌姆肿泳哂胁煌男再|(zhì)。

然而，許多PHA材料是天然存在的，如PHB及其一些共聚物，如PHBV、PHBHHx、P3HB4HB、PHBO和PHBD。這些材料不是合成塑料，而是在自然界中發(fā)現(xiàn)的天然材料，就像纖維素或淀粉。
這些天然大分子并不是通過(guò)化學(xué)聚合產(chǎn)生的，而是由天然的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（糖、植物油、淀粉等）通過(guò)酶控的生化反應(yīng)轉(zhuǎn)化而成的。

這些天然的PHAs是自地球上的生命開(kāi)始以來(lái)，所有生物體（包括植物、動(dòng)物和人類(lèi)）新陳代謝的一部分。它們是營(yíng)養(yǎng)和能量?jī)?chǔ)存物質(zhì)。自然我們可以認(rèn)為是生物降解材料，也可以認(rèn)為是各種環(huán)境中的生物機(jī)體飼料。此外，與大多數(shù)其他材料不同，它們可以完全滿(mǎn)足于各種形式的末端處理。

如今，這些生物良性材料即便由工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，不過(guò)也只是模仿自然合成途徑。有許多產(chǎn)能擴(kuò)張正在計(jì)劃或在建，特別是在亞太地區(qū)和北美地區(qū)。這些材料既能應(yīng)用于熱塑性塑料、熱固性塑料、彈性體、潤(rùn)滑劑、膠、粘合劑，也能應(yīng)用于一些非傳統(tǒng)的聚合物應(yīng)用，如動(dòng)物飼料、人類(lèi)和動(dòng)物的細(xì)胞再生、反硝化和化妝品。

2、傳統(tǒng)的塑料應(yīng)用

在過(guò)去的十年里，許多公司已經(jīng)投資了數(shù)十億美元用于開(kāi)發(fā)和建設(shè)，利用工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)天然PHA材料。同時(shí)，許多應(yīng)用得到開(kāi)發(fā)，主要集中在注重生物降解性和高附加值的應(yīng)用。事實(shí)上，天然的PHA物質(zhì)是各種環(huán)境中生物的飼料，因此，它們能在各種環(huán)境下實(shí)現(xiàn)生物降解(即碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳?xì)怏w)。

目前市場(chǎng)上天然PHA材料的產(chǎn)品包括咖啡膠囊、垃圾袋、夾子、無(wú)紡布、食品包裝薄膜、化妝品中的微塑料和咖啡杯中的涂層紙。其中，涂層紙還可被造紙業(yè)回收利用。除此之外BioSinn報(bào)告還提到了許多應(yīng)用的可能?？偠灾?/span>，目前，最大的挑戰(zhàn)是全球天然PHA的總生產(chǎn)力，而許多新工廠(chǎng)也正在建設(shè)中。

當(dāng)然，生物降解性并不是PHA唯一的獨(dú)特賣(mài)點(diǎn)(USP)，一家聯(lián)合企業(yè)已經(jīng)明確表示，他們顯著提升了公司的科研水平以研發(fā)天然的PHA材料。他們開(kāi)發(fā)出新的PHA化合物，由100%生物基構(gòu)成，耐高溫，易于加工，并可訂做成為各種耐用的產(chǎn)品。

這家復(fù)合公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了500多種不同的天然PHA基配方，從剛性到極柔韌，耐高溫高達(dá)130°C，耐氣候和紫外線(xiàn)，熔融快速成核，以及改善的阻隔性能， 證明天然PHA材料可以轉(zhuǎn)化為一系列新的生物聚合物，其加工速度可以與當(dāng)前行業(yè)中使用的所有轉(zhuǎn)化技術(shù)的聚合物一樣快，甚至更快。  
不僅如此，PHA已可作為薄膜或3D打印中的主體成分，而幾年前，它們經(jīng)常與PBAT或PLA一起作為添加劑使用。高分子量非結(jié)晶或低結(jié)晶度PHA等級(jí)(如P3HB4HB的50% 4HB或PHBHHx的30% Hx)的可調(diào)性讓我們得以改變高分子的性能、屬性。

這些例子不僅僅是理論，已經(jīng)用于眼鏡盒(取代ABS或PP滑石)、鋼筆(取代ABS)、設(shè)計(jì)椅子(取代GFR-PP)、燈具、電燈開(kāi)關(guān)(取代PC/ABS)等產(chǎn)品。

此外，一些低E-模量的天然PHA材料已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)用于熱熔粘合劑、壓敏粘合劑、層壓粘合劑和密封劑。到目前為止，由于產(chǎn)量較低，使用范圍較小，但這也只是一個(gè)時(shí)間問(wèn)題。有幾種材料被用于涂層中的抹灰劑，以取代二氧化硅，從而獲得更好的透明度和觸覺(jué)性能（軟感覺(jué)）。這些觸覺(jué)特性是這些材料的獨(dú)特賣(mài)點(diǎn)之一。

最后，由于每年都有大量的塑料進(jìn)入我們的海洋，很多人積極參與到用PHA制作紡織布與無(wú)紡布纖維的開(kāi)發(fā)中。雖然首批應(yīng)用已經(jīng)出現(xiàn)在市場(chǎng)，但規(guī)模依然很小，應(yīng)用的發(fā)展還處于早期階段，特別是紡織應(yīng)用。目前該市場(chǎng)上用于紡織的纖維，除了含有天然PHA材料外，還含有其他聚合物。

03、非傳統(tǒng)的塑料應(yīng)用

鑒于天然PHA材料在自然環(huán)境中的作用和其外觀(guān)，一些非傳統(tǒng)的塑料應(yīng)用也得到開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。包括動(dòng)物飼料、醫(yī)療保健（包括人類(lèi)和動(dòng)物）、反硝化作用、人造草皮和化妝品等方面的應(yīng)用。在特定環(huán)境（廢水處理、水族館、蝦、魚(yú)、龜養(yǎng)殖場(chǎng)等）中，當(dāng)氨過(guò)多時(shí)，需要反硝化處理。氨通過(guò)氧化變成硝酸鹽和亞硝酸鹽。而天然的PHA則是硝酸鹽和亞硝酸鹽還原為氮的優(yōu)良碳源。

因?yàn)?，它通過(guò)生物降解為反硝化過(guò)程提供了碳。如今，這些應(yīng)用的材料已經(jīng)在市場(chǎng)銷(xiāo)售。另一個(gè)完全不同的應(yīng)用則是將天然PHA用于醫(yī)療。在人體內(nèi)，人們可以使用由PHA構(gòu)成的微球來(lái)容納并培養(yǎng)干細(xì)胞。微球的降解時(shí)間約為一年，而降解產(chǎn)物被細(xì)胞利用并幫助細(xì)胞的生長(zhǎng)。除此之外PHA還可用于骨再生、皮膚損傷修復(fù)（傷口閉合）、神經(jīng)引導(dǎo)導(dǎo)管等。

由這種材料制成的支架也已經(jīng)被證明可以處理骨修復(fù)，還能修復(fù)受損的食道。Tepha公司（美國(guó)）生產(chǎn)上述幾種產(chǎn)品已有約10年，麥得發(fā)（中國(guó)）也在這一領(lǐng)域有所成果，其中一個(gè)便是利用PHA為材料的載體來(lái)控制藥物運(yùn)輸傳遞。

像足球場(chǎng)這樣的人工運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地總是需要填充物。雖然以往會(huì)將舊的汽車(chē)輪胎作為填充物，但如今它已因?yàn)榻】岛铜h(huán)境安全問(wèn)題所淘汰。如今，天然的PHA材料已被允許用于人造草坪填充物(國(guó)際足聯(lián)批準(zhǔn))。

除了這些，PHB和其他天然PHA材料也可用作動(dòng)物的飼料或飼料添加劑：用PHB喂養(yǎng)水生生物研究證實(shí)，PHB在動(dòng)物的生長(zhǎng)，腸道微生物群落結(jié)構(gòu)，和抗病能力方面有優(yōu)良的效果，同時(shí)，PHB可作為歐洲海鱸魚(yú)幼魚(yú)的能量來(lái)源，有助于增加全身的脂質(zhì)含量。PHB也被用作保護(hù)蝦免受致病的坎貝爾弧菌的抗生素的替代品，觀(guān)察到它可以誘導(dǎo)熱休克蛋白(Hsp)的表達(dá)，并在一定程度上有助于保護(hù)蝦免受坎貝爾弧菌的侵襲，提高蝦的生長(zhǎng)性能和消化酶活性、以及虹鱒魚(yú)的免疫系統(tǒng)功能，提高中華絨螯蟹幼體的體重。

PHB還提高了羅氏沼蝦幼蟲(chóng)、藍(lán)貽貝幼蟲(chóng)和尼羅羅非魚(yú)幼魚(yú)的存活率。PHB不僅能影響海洋生物，還能影響大型牲畜。飼料組成影響大型家畜腸道細(xì)菌群落，影響其健康。綜上所述，PHB對(duì)大黃魚(yú)等海洋動(dòng)物和對(duì)食物敏感的斷奶幼豬等常見(jiàn)陸地動(dòng)物的生長(zhǎng)無(wú)不良影響。

將來(lái)，PHB制成的塑料，可能包括其共聚物PHBV和P3HB4HB，可以再次用作動(dòng)物的飼料添加劑。更好的是，由天然PHA材料制成的塑料可以取代石化塑料，以避免海洋或陸地動(dòng)物誤食塑料包裝垃圾而死亡?；谔烊籔HA材料平臺(tái)的合成和應(yīng)用實(shí)例，我們認(rèn)為這種新型材料平臺(tái)好比一個(gè)沉睡的巨人，具有很好的前景。

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