生物塑料的應(yīng)用與發(fā)展

　　由于石油和汽油價(jià)格低廉，許多公司會(huì)選擇通過(guò)降低成本來(lái)提升利潤(rùn)，而棄用實(shí)際上更加環(huán)保的創(chuàng)新技術(shù)，這樣的現(xiàn)狀不利于生物基和生物可降解塑料的發(fā)展。盡管如此，生物塑料的市場(chǎng)需求仍在增長(zhǎng)，投資也在繼續(xù)涌入。這是因?yàn)?，該材料符合企業(yè)發(fā)展的愿景，并且在可持續(xù)發(fā)展政策的背景下，具有功能多元化、論據(jù)正確性和方案優(yōu)越性的特點(diǎn)。

　　為什么越來(lái)越多的公司和國(guó)家都看好生物塑料？驅(qū)動(dòng)其發(fā)展的原因是什么？該材料的兩個(gè)突出特性就足以回答這些問(wèn)題。一方面，生物塑料的來(lái)源是可再生原材料;另一方面，生物塑料具有生物可降解能力，后者更是作為其主要特性。這兩個(gè)特性彼此獨(dú)立，方向不同，并且各自的代表材料相互間沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)性。一言以蔽之的“生物塑料”顯得有些武斷，且容易引起混淆。而這兩個(gè)特性都具有極其重要的意義。

　　生物塑料

　　在特定的聚合物范疇里，生物基含量為30%的PET在產(chǎn)能和市場(chǎng)方面算是處于領(lǐng)先地位的杰出代表。Nova研究所已經(jīng)公布了全球生物塑料近年間產(chǎn)能發(fā)展情況的專業(yè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)也被歐洲生物塑料協(xié)會(huì)用于其公開(kāi)發(fā)表的數(shù)據(jù)中。

　　如果能夠從生物原料中生產(chǎn)出乙二醇（MEG），那么基本上每個(gè)生產(chǎn)廠商都能夠制造出生物基含量為30%的PET。市場(chǎng)目前能供應(yīng)約30萬(wàn)噸的生物基MEG，能夠生產(chǎn)出約100萬(wàn)噸生物基含量為30%的PET。其中的一部分PET被可口可樂(lè)公司用于飲料瓶生產(chǎn)。實(shí)際上，可口可樂(lè)從2009年就著手于這項(xiàng)生產(chǎn)項(xiàng)目。從那時(shí)起，該公司制造出超過(guò)400億個(gè)含有生物PET的飲料瓶，減少了超過(guò)30萬(wàn)噸的二氧化碳排放量。

　　在2015年春季，可口可樂(lè)展示了第一個(gè)使用了100%對(duì)苯二甲酸（PTA）的生物塑料飲料瓶。但生產(chǎn)PTA對(duì)于創(chuàng)業(yè)公司而言還不夠經(jīng)濟(jì)，目前他們還在測(cè)試各種綜合方法。生物基PET材料易于回收且適合長(zhǎng)期應(yīng)用，滿足了未來(lái)對(duì)塑料行業(yè)的高要求。目前，使用PET的用戶數(shù)量和應(yīng)用領(lǐng)域正在穩(wěn)步上升，范圍涵蓋醫(yī)藥包裝、汽車(chē)零件、戶外紡織品等。

　　聚乙烯呋喃酮（PEF）

　　在PET獲得成功之后，聚乙烯呋喃酮（PEF）目前還在發(fā)展中，該材質(zhì)由MEG和呋喃二甲酸（FDCA）制造而成，從起始鏈段開(kāi)始就是100%生物基。位于荷蘭阿姆斯特丹的Avantium科技公司是FDCA生產(chǎn)領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，位于德國(guó)路德維希港的巴斯夫歐洲公司，去年3月份宣布在比利時(shí)安特衛(wèi)普新建一個(gè)FDCA的生產(chǎn)工廠，產(chǎn)能高達(dá)5萬(wàn)噸/年。日本東京的三井物產(chǎn)株式會(huì)社也與之簽訂了長(zhǎng)期供應(yīng)合同。

　　與PET相比，PEF的定位是對(duì)CO2和O2具有更強(qiáng)阻隔性的材質(zhì)。因其具有更高的機(jī)械強(qiáng)度，可生產(chǎn)出壁厚更薄的包裝，從而減少薄膜和瓶子的包裝重量?；谄涔δ苄浴h(huán)保性能和成本優(yōu)勢(shì)，PEF被公認(rèn)為生物塑料市場(chǎng)前途光明的一個(gè)新材料。

　　聚乙烯

　　生物聚乙烯（PE）已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)發(fā)展多年。位于巴西圣保羅的Braskem公司，是目前唯一在競(jìng)爭(zhēng)艱難的日用品領(lǐng)域成功將該聚合物定位為優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的制造商——沒(méi)有賦予其新功能，其優(yōu)勢(shì)是碳排放更小。目前，其客戶群正在增長(zhǎng)，分銷(xiāo)渠道在繼續(xù)開(kāi)發(fā)。食品制造商過(guò)去關(guān)于食品和非食品之間的包裝采用，往往都會(huì)避免采用生物塑料包裝，如今他們?cè)俅慰吹搅松虣C(jī)（見(jiàn)圖3）。對(duì)于制造商來(lái)說(shuō)，生物基PE的產(chǎn)能達(dá)到20萬(wàn)噸/年是重要的第一步，進(jìn)一步的投資現(xiàn)在也在考慮之中。盡管生物PE材料也被應(yīng)用于科技產(chǎn)品中，例如電纜外層或污水管道，但生物聚烯烴主要的用途仍然是非食品包裝領(lǐng)域，如化妝品或消耗品的包裝

　　值得引起注意的是各包裝巨頭，如英國(guó)拉什登的RPC集團(tuán)、澳大利亞霍桑的Amcor公司、芬蘭赫爾辛基的Stora Enso集團(tuán)以及德國(guó)杜賽道夫的Gerresheimer公司，都極其重視“生物基”，并把它作為未來(lái)發(fā)展之本。位于瑞士皮伊的TetraPak國(guó)際公司，計(jì)劃在2016年初向市場(chǎng)投入約1億個(gè)100%生物基的TetraRex包裝盒，其材料來(lái)源為Braskem生產(chǎn)的生物PE材料

　　聚酰胺

　　卓越的耐受性和高彈性是許多生物聚酰胺（PA）的基本特性。與已經(jīng)投入市場(chǎng)數(shù)十年的PA10和PA11一樣，新型PA4和PA5因其特殊性能，如溫度穩(wěn)定性、耐化學(xué)性和尺寸穩(wěn)定性，也正在吸引市場(chǎng)關(guān)注。傳統(tǒng)意義上的PA往往用于汽車(chē)領(lǐng)域的特殊應(yīng)用，而生物PA也征服了消費(fèi)品領(lǐng)域，例如戶外衣物、運(yùn)動(dòng)鞋和眼鏡框架。主要聚合物生產(chǎn)商，如KS/美國(guó)威奇托的Invista S.a.r.l.公司、荷蘭海爾倫的DSM工程塑料公司、德國(guó)埃森的Evonik工業(yè)公司，為了進(jìn)一步拓展PA單體組合的范圍，正積極與各生物技術(shù)公司展開(kāi)合作，如加拿大/美國(guó)門(mén)洛帕克的Calysta公司、中國(guó)上海的國(guó)泰生物科技有限公司、馬來(lái)西亞雪蘭莪州的Emery Oleochemicals集團(tuán)以及加拿大/美國(guó)卡爾斯巴德的Verdezyne公司。

　　其他生物塑料

　　客戶需求推動(dòng)了可持續(xù)的高性能塑料的發(fā)展。透明度高、耐刮擦的“Durabio”合成材料獲得了2015年的“生物塑料獎(jiǎng)”，該生物聚碳酸酯（PC）來(lái)源于異山梨糖醇，由法國(guó)萊斯特朗Roquette Freres公司、日本東京的三菱化學(xué)株式會(huì)社和日本大阪的夏普株式會(huì)社聯(lián)合制造。

　　客戶對(duì)于生物塑料卓越的性能要求也同樣促進(jìn)了聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯（PTT）的發(fā)展，該材質(zhì)尤其適用于彈性工藝紡織纖維的應(yīng)用（見(jiàn)表1）。如果把熱固性塑料也考慮進(jìn)去，其衍生物的數(shù)量會(huì)更多。生物基聚氨酯（PU）或聚環(huán)氧化合物如今也有多種不同的應(yīng)用，前景看好（見(jiàn)圖6）。有意向的公司可以利用數(shù)量與日俱增的商業(yè)適用生物基單體結(jié)構(gòu)單元，主要是二元醇或多元醇，其性能的改良空間也跟生物成分一樣大。

　　生物塑料在玩具行業(yè)的應(yīng)用也與日俱增。丹麥比隆的樂(lè)高玩具公司在2015年發(fā)表聲明稱，到2030年將只使用可持續(xù)原材料生產(chǎn)產(chǎn)品，這相當(dāng)于7萬(wàn)噸/年塑料產(chǎn)能。尋找能夠替代化石ABS的材料是其接下來(lái)的任務(wù)，降低碳排放也必須執(zhí)行。樂(lè)高玩具公司已經(jīng)成立創(chuàng)新中心，并且已經(jīng)與生物聚合物制造商及世界自然基金會(huì)（WWF）開(kāi)展了合作。盡管生物塑料已經(jīng)在玩具領(lǐng)域有所應(yīng)用，但其市場(chǎng)發(fā)展仍然處于起步階段。

　　生物降解塑料

　　與其化學(xué)和物理結(jié)構(gòu)相關(guān)，很多聚合物具有生物可降解的特性，其中，聚酯是最大的分支。結(jié)構(gòu)復(fù)雜的聚合物材質(zhì)聚乳酸（PLA）有不計(jì)其數(shù)的結(jié)構(gòu)，其中包括持久耐用的一種結(jié)構(gòu)。MN/美國(guó)明尼通卡的NatureWorks公司是眾多制造商中的領(lǐng)先者，以15萬(wàn)噸/年的產(chǎn)能高居榜首，把競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在身后。目前，眾多公司都在嘗試制造工藝或生產(chǎn)工藝的進(jìn)一步提升。荷蘭阿姆斯特丹的Corbion公司宣布計(jì)劃在泰國(guó)Rayon投建產(chǎn)能為7.5萬(wàn)噸/年的工廠，預(yù)計(jì)將在2018年投入運(yùn)營(yíng)。

　　PLA如今已經(jīng)在全球范圍內(nèi)銷(xiāo)售，其主要應(yīng)用于包裝領(lǐng)域、纖維和薄膜，絕大部分以復(fù)合物的形式占據(jù)重要的市場(chǎng)份額。該材質(zhì)的功能性，適用于多種領(lǐng)域：食品包裝（例如，酸奶杯、飲料瓶、復(fù)合薄膜或發(fā)泡容器）作為紡織品纖維或技術(shù)產(chǎn)品（面料、過(guò)濾器、無(wú)紡布材料）或者用于耗材（例如辦公用品或技術(shù)元件）。

　　PBS和PBAT

　　由于丁二酸（SA）生物技術(shù)的蓬勃發(fā)展，專家預(yù)計(jì)聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的生產(chǎn)將迎來(lái)迅猛增長(zhǎng)。如同PLA一樣，該脂肪族聚合物可以是100%的生物材料，可以通過(guò)氫化SA來(lái)制造1，4丁二醇（BDO），或直接通過(guò)發(fā)酵來(lái)制造BDO。諸如巴斯夫、帝斯曼工程塑料和三菱化工等化學(xué)公司正在投資這一科技領(lǐng)域的創(chuàng)新生物科技新興企業(yè)，例如加拿大魁北克的BioAmber公司、加拿大/美國(guó)圣地亞哥的Genomatica公司，以及摩洛哥/美國(guó)沃本的Myriant公司。相信PBS很快會(huì)像如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用的聚己二酸丁二醇酯二醇（PBAT）那樣做到大規(guī)模生產(chǎn)。這兩種聚酯材質(zhì)都已廣泛用作淀粉或PLA的軟化混合成分，且從“包袋市場(chǎng)”的增長(zhǎng)中獲得了最大收益。

　　許多國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)有相關(guān)國(guó)家法律規(guī)定須分揀生物廢品和其他廢棄物，如：意大利的運(yùn)輸包裝，法國(guó)的水果和蔬菜包裝袋，這促成了7萬(wàn)噸產(chǎn)能可堆肥包裝袋的巨大市場(chǎng)。而未來(lái)的市場(chǎng)潛力更大：專家預(yù)測(cè)歐洲未來(lái)5年的可堆肥包裝袋消耗量將會(huì)是目前的三倍，全球市場(chǎng)潛力也會(huì)在未來(lái)5年內(nèi)增長(zhǎng)數(shù)倍。當(dāng)前，nova研究員正在細(xì)致地研究分析歐盟市場(chǎng)和基本法律條件的重要性。

　　PHA

　　作為聚酯家族的另一成員，聚羥基脂肪酸酯（PHA）直接產(chǎn)自細(xì)菌體，不同結(jié)構(gòu)的PHA展現(xiàn)截然不同的特性，其中一些結(jié)構(gòu)可以在各種介質(zhì)中徹底分解。眾多小規(guī)模公司，正在努力嘗試在全球范圍內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)和營(yíng)銷(xiāo)。最近，意大利圣喬治-迪皮亞諾的Bio-OnSrl公司宣布與歐洲兩大有意向的商業(yè)伙伴合作，他們分別來(lái)自意大利和法國(guó)，計(jì)劃新建兩個(gè)生產(chǎn)工廠，每個(gè)工廠分別具有約1萬(wàn)噸/年的產(chǎn)能。中國(guó)和美國(guó)的公司亦在涉足PHA領(lǐng)域。

　　可降解聚合物的發(fā)展情況比目前認(rèn)為的更加復(fù)雜。PLA本身已經(jīng)具備一些現(xiàn)代塑料性能：可根據(jù)特殊用途的需求來(lái)實(shí)現(xiàn)定制，諸多結(jié)構(gòu)只需與其他聚合物結(jié)合就能充分發(fā)揮其特性。當(dāng)前焦點(diǎn)集中在一個(gè)相對(duì)窄范圍的產(chǎn)品品類(lèi)——采用多種可降解聚酯制造使用壽命短、可堆肥的、一次性使用的產(chǎn)品，這主要是由于政策驅(qū)動(dòng)的要求，以及把“可堆肥”作為一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的市場(chǎng)賣(mài)點(diǎn)來(lái)定位。然而，這并不是發(fā)展的終點(diǎn)，而僅僅只是發(fā)展期間的一個(gè)小高潮。

　　前景展望

　　塑料無(wú)疑是強(qiáng)大的，它能幫助我們解決很多問(wèn)題。在未來(lái)的數(shù)十年間，它也必須重塑自身。資源和環(huán)境方面的問(wèn)題直接與短壽命的塑料制品相關(guān)，塑料的應(yīng)用已經(jīng)很廣泛，但其回收利用往往很難。這就是為什么塑料產(chǎn)品必須可回收的原因，否則它們會(huì)對(duì)環(huán)境造成許多負(fù)擔(dān)。

　　根據(jù)艾倫麥克阿瑟基金會(huì)的塑料戰(zhàn)略，大公司的專家和代表們相信，對(duì)于短壽命的塑料產(chǎn)品而言，生物降解是一個(gè)正確的解決方案。然而根本問(wèn)題在于，產(chǎn)品必須利用盡可能少的資源進(jìn)行生產(chǎn)，并且要設(shè)計(jì)更多用途。生命周期分析報(bào)告顯示，回收和使用可再生資源是問(wèn)題的重點(diǎn)。歐盟議會(huì)和歐盟委員會(huì)在基礎(chǔ)原則下提出了許多方案，但生物塑料的地位并未得以肯定，它是近年來(lái)才發(fā)展起來(lái)的，并且，大批量生產(chǎn)的塑料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也已經(jīng)構(gòu)建，這相應(yīng)地導(dǎo)致了傳統(tǒng)塑料生產(chǎn)的慣性。然而，這并不會(huì)影響生物塑料行業(yè)的發(fā)展。一旦市場(chǎng)發(fā)展搭建起穩(wěn)定的基礎(chǔ)，生物塑料就會(huì)得到政治家、消費(fèi)者和評(píng)論員的充分支持，也能夠吸引和留住新的投資者。