生物基塑料：塑料污染终结者

如果文明因其遗留下来的“作品”而被铭记，如青铜器是古代中国夏商周时期人类物质文化发展阶段的标志，那么我们现在所处的时代可能会被贴上“塑料时代”的标签。经过自上世纪50年代初以来的生产实践，便捷、廉价、耐用的塑料早已深入人类生活的方方面面，广泛应用于各个领域。然而，塑料制品在生产、使用、处理时，以及不当抛弃后都会对大自然的生态环境造成严重的影响。不仅如此，作为化石能源产业链上的相关产品，塑料的使用直接造成了碳排放。为了减少生产及使用原生塑料，人们一直在积极寻找环保的塑料替代品，生物基塑料应运而生——它不仅对环境友好，而且减少对化石原料的依赖，正成为塑料行业从污染走向绿色、建设可持续循环经济的希望。

 

 

什么是生物基塑料？

 

有三个概念常常被人傻傻不分：生物基塑料（Bio-based plastics）、生物塑料（Bioplastics）、生物可降解塑料（Biodegradable plastics），首先要搞清楚，这三者肯定不是一回事。事实上，“生物塑料=生物基塑料+生物降解塑料”。本文聚焦的话题是“生物基塑料”。

 

图1 ©互联网

生物基塑料是指生产原料来源于玉米、甘蔗、竹子或其他植物纤维素等生物质的类塑料产品。它的原料来自于自然界的可再生碳（C）源，这与传统塑料的骨架主要是来自化石燃料的碳链不同。在减少塑料行业对石油化工产品消耗的同时，也减少了石化产品生产过程中对环境的污染，可以起到节约石油资源和保护环境的双重功效（图1）。

 

图2 ©互联网

 看到生物基塑料里的“生物”一词，也许会认为它就是一种从生物中提取又能够轻松降解的塑料，其实不然。生物基塑料既包括可生物降解或堆肥塑料，例如聚乳酸（PLA）、聚羟基烷酸酯（PHA）、聚丁二酸丁二酯（PBS）和聚氨基酸等，当它们被废弃时，大部分可经由燃烧或堆肥等生物降解法，转变为水和二氧化碳等无毒小分子，重新进入自然循环中，维护整个生态平衡，无需担心增加碳排放；生物基塑料也包括不可生物降解材料，例如多元醇聚氨酯、生物基PE/PP/PET/PA等，它们的化学结构与传统的石油基PE或PET并无区别（图2）。

在生物基塑料市场越来越具有规模的形势下，我们要更加仔细地去认识它，才能更好地使用它。
 
特点和优势

 

生物基塑料的主要特点包括绿色环保、可再生、可降解、安全性高、资源节约等。

绿色环保：生物基塑料的生产过程相对于传统石油基塑料更加环保，使用可再生资源作为生产原料，降低了对化石燃料（主要为石油）的依赖，减少了二氧化碳等温室气体的排放。

可再生性：使用可再生资源作为生产原料，比如淀粉、纤维素等，这些资源可以在自然环境中不断再生，这也是生物基塑料的显著优势。

可降解性：如前所述，部分生物基塑料具有可降解性，可以在自然环境中分解为水和二氧化碳等无机物。在很大程度上避免了对环境的污染和破坏，是传统塑料无法比拟的优越性，也使得生物基塑料成为当前绿色环保领域的重要研究方向之一。

安全性高：生物基塑料无毒无味，不含重金属、聚氯乙烯（PVC）、邻苯二甲酸酯（一种增塑剂）等有害物质，符合食品安全和卫生要求，可以用于食品包装等领域。

资源节约：生物基塑料生产过程中不需要大量的化石燃料（主要为石油），可以节约资源，降低生产成本。

 

成功应用案例

 

目前生物基塑料已经在包装、农业、医疗器械、汽车等多个领域得到了广泛应用，大到电视机的支架、电脑框体，小到家居小摆件、厨房垃圾袋等，生物基塑料的身影随处可觅。以下是一些在不同领域的最新成功应用案例。

餐具领域：我国限塑令实施后，实际上很多塑料制品正在被生物基塑料所代替。如今走进奶茶店、咖啡馆，塑料吸管已经很少了，取而代之的是PLA材质吸管。

包装领域：这是全球生物基塑料最大的应用领域，约占生物基塑料总市场的近一半。例如，一些生物基塑料袋可以用作食品包装，可以有效延长食品的保鲜期，同时还可以减少对环境的污染。另外，一些植物基塑料如可降解塑料也可以用于包装材料，具有良好的环保性能。

 

图3 ©伊利

伊利牛奶金典推出了植物基梦幻盖产品（图3），这是国内首款植物基塑料奶瓶盖，原料由原来的石油基PE替换为源自甘蔗的植物基PE，更具可持续性，并且可以通过现有的回收系统进行回收利用。这种伊利牛奶金典植物基梦幻盖，无论是功能还是外观，都与石油基封盖同样出色。重要的是，金典植物基梦幻盖可以降低碳足迹，减少对化石资源的依赖。

 

图4：与陶氏合作开发的沙林™树脂已用于娇兰的小黑裙淡香水的包装 ©LVMH

奢侈品集团LVMH的美容事业部（LVMH Beauty）与陶氏公司合作，在其香水瓶盖和化妆品面霜罐中采用再生和生物原料制成的塑料（图4）。陶氏的沙林™树脂采用使用过的食用油等生物基材料作为原料，可减少生产过程中产生的废渣或副产品，从而防止过度消耗土地资源和与食物链的竞争。陶氏表示，沙林™树脂既能保持以前包装设计的高级美感，同时也有助于减少LVMH集团的碳足迹。

 

图5： Coles集团推出的100%生物基家用降解咖啡胶囊 ©Coles集团

澳洲零售巨头Coles集团推出了100%生物基家用降解咖啡胶囊（图5），胶囊主体由植物油衍生物制成，其封盖的材料为生物基可堆肥材料，可阻隔氧气且耐撕裂。

农业和园艺领域：生物基塑料在农业和园艺领域的应用也非常重要，例如，生物基塑料薄膜可以用于农田覆盖，起到保持土壤湿润、控制杂草生长和提高作物产量的作用。

医疗器械：生物基塑料不仅对环境友好，其对肌体的适应性也非常好，可以用于制造手术器械、可被肌体吸收的术后缝合线、组织工程支架、骨折内固定材料、医用注射器和输液器等医疗用品，其具有良好的生物相容性和可降解性，不会对人体造成损害。

 

图6：参天（Santen）推出的首款生物基塑料滴眼剂瓶 ©Santen

日本眼科医药公司参天（Santen）在年初推出了首款生物基塑料滴眼剂瓶（图6），瓶的塑料材料采用名为“我是绿色聚乙烯”的甘蔗衍生物制成。这款生物材料可像传统石油基塑料那样保持瓶子结构的完整性，确保药物可稳定安全输送到患者手中。参天公司已于2021年上半年启动其对地球资源保护的“2050愿景”，设定了科学减少碳排放的计划，制定了三个2030年“环境目标”——为无碳社会做出共享、保护水资源和减少塑料使用。采用生物基塑料瓶是其为实现这些目标的重要步骤。

 

图7 ©戴尔

电子领域：多年来，戴尔（DELL）科技集团在其产品中使用可再生的生物基塑料。全新的Latitude5000系列（图7）和Precision 3000系列使用了由妥尔油（Tall Oil）制成的生物基塑料。妥尔油是造纸过程中废弃的副产品，可以在制造塑料时替代石油。蓖麻籽油是另一种不起眼的生物基原料，在长达近60年的岁月里一直是尼龙610、尼龙11、尼龙1010、尼龙1012和尼龙410等长碳链尼龙（PA）的基础材料，戴尔用这些生物基PA材料制造笔记本电脑的外壳和减震橡胶垫脚。

 

图8 ©Nyguard

服装领域：意大利拉链制造商Nyguard公司及其供应商在拉链配件中使用赢创（EVONIK）公司的生物基尼龙材料Vestamid Terra，这也是一种由蓖麻籽油制成的尼龙，以便服装可以更容易地被回收，很好地解决了不同材料牢固粘合在一起不利回收的痛点（图8）。据悉，Nyguard是全球唯一一家生物基塑料拉链制造商，该公司称，客户们几年前对可持续发展的生物基塑料拉链就产生了兴趣，但真正为其买单的意愿并不强，但自2020年以来，订单需求一直在大幅上升，证明了他们完全专注于生物基塑料的决定是正确的。

汽车领域：由于绿色材料能够确保移动出行的可持续性，因此汽车行业正不断地致力于使汽车生产符合可持续发展的原则。而开发合适的材料在这一过程中起着决定性的作用，生物基材料正成为汽车轻量化的新“顶流”。

 

图9 ©铃木汽车

三菱化学控股集团的生物基工程塑料DURABIO已用在铃木汽车公司车型S-CROSS（图9）的前格栅的生产制造上。

 

DURABIO由可再生植物源的异山梨醇制成，是一种生物基工程塑料。它与传统工程塑料相比，具有非常好的性能，包括抗冲击性、耐候性和耐热性。该塑料还具有良好的显色性，只需添加着色剂即可实现高光泽的精致设计。此外，这种塑料由于表面坚硬且耐刮擦，它不需要涂漆和涂层工艺，从而减少了生产过程中的VOC排放。

 

图10 ©互联网

 

加工难点何在？

 

生物基塑料的物料跟普通塑料一样，是圆柱形或棋子形的颗粒（图10）。通常来讲，生物基塑料的成型加工与传统石化基塑料无异，都是加热软化或熔融变得容易流动后放入模具中（赋形）来进行的。接下来以PLA为例，介绍其在注塑成型方法中的难点和解决方案（图11） 。

 

图11：注塑成型生产车间 ©互联网

PLA注射成型时需要注意一些问题。首先，生物基塑料在加工中，要比普通塑料更注意水分的处理，重要因素就是树脂颗粒中的含水率和加工温度。基本要求树脂的含水率必须在300ppm以下，干燥时的条件一般以除湿干燥机（60-90℃，5小时）为佳；若是热风干燥机等，还要注意不带入外部湿气。而成型温度尽量靠近树脂的熔点和软化点，越低越好。以PLA为代表，其玻璃转化温度在57℃左右，结晶化温度在110℃附近。对成型产品的耐热性没有要求时，可以在玻璃转化温度以下成型。对成型产品的耐热性有要求时，就需要进行结晶化，在注射成型中把模具的温度设定为110℃左右时，可以推进PLA结晶化，得到耐热性优秀的成型品。

其次是收缩率，这对得到正确尺寸的成型品来说非常重要，而结晶化进行与否会令收缩率产生很大的变化。低温模具不进行结晶化时，PLA的收缩率为0.3%-0.5%，结晶化时，PLA的收缩率一般为1.0%-1.2%，所以设计模具时也必须要核实收缩率。

除此之外，硬质PLA树脂在注塑时要把出模斜度设计得大一点，尽量避免强行脱模。

 

生物基塑料潜力待发

 

生物基塑料的发展前景受到多种因素的支持，包括消费者需求、政策推动、技术进步等。

随着公众对环保、健康、可持续等问题的关注度不断提高，生物基塑料凭借可降解、可回收利用等特性，在市场上的需求量不断增加。

各国政府都在加大环保政策的力度，不断推进替代传统塑料的新材料的使用和应用。在美国，白宫宣布将90%的塑料原料转变为生物基原料，以取代化石燃料的目标。欧洲的“禁塑令”已为生物基塑料市场提供了巨大的机遇。在中国，在“双碳”战略背景下，国家有关部门发布了“十四五”塑料污染治理、“生物经济发展规划”、2022年重点强农惠农政策、生物降解材料与制品标识国家标准、生物基塑料碳足迹评价国家标准、邮件快件绿色包装规范、全生物降解农用地面覆盖薄膜国家标准等，在国家重点研发计划项目等多个领域进行了科技专项支持，生物降解塑料逐渐进入了可持续、理性、有序发展阶段。在国内相关产业政策持续加码下，生物基可降解塑料渗透率有望持续提升，需求有望高速增长。

随着生物技术的不断发展，生物基塑料的生产成本逐渐降低，生产效率则不断提高。同时，生物基塑料的种类和性能也不断得到优化和提升，为生物基塑料的广泛应用提供了更好的条件。而随着人们对生物基塑料认识的加深，以及新应用领域的不断探索，生物基塑料的应用领域还将不断扩展，具有良好的发展前景。

但是，我们也需要注意到这个市场还面临着一些挑战，如生产成本、技术成熟度、市场接受度等。

1.生物塑料现阶段比普通塑料的价格要高两三倍，阻碍了这类材料的迅速普及。有的企业在其产品中使用生物塑料，还仅仅是为了树立企业的环保形象。不过，一旦生物塑料进入批量生产阶段，成本可大大下降。

2.生物基塑料和生物燃料一样可能会“与民争粮”，可能会带动世界粮食价格上涨，这一点在当下因地缘政治因素引发的“粮食荒”之下显得颇为扎眼。有科学家已着手用废木材、野草等制造生物塑料。

3.生物塑料供应仍较有限，产品价格在一定程度上仍受石油价格的推动。

 

图12：传统石化基塑料有着1-7的回收标志 ©互联网

4.缺乏统一的生物塑料贴标方法，而传统石化基塑料有着1-7的回收标志（图12）。

5.多数消费者不懂得如何辨别生物塑料和如何权衡不同的属性，因此加强对消费者的宣传很重要，比如准确地阐释相关术语的定义。生物塑料行业需加强营销和培育市场，以打消某些消费者的不信任。

因此，在未来的发展中，我们需要不断加大技术研发和市场推广力度，以推动生物基塑料市场的健康发展。

目前，全球生物基塑料产能在2022年约223万吨，尚不及超4亿吨塑料比重的1%。未来随着生物基塑料需求的增长，以及越来越多生物基聚合物、应用和产品的出现，生物基塑料产能仍将保持不断增长。据欧洲生物塑料协会预测，该产能到2025年将提升至280万吨，其中可降解生物基塑料的产能占比也将提升至六成以上。

文/冯大勇

 

来源：荣格-《国际塑料商情》

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