创新的生物塑料正在这些领域开启新征程

对生物基和可生物降解的（或者更准确地说是可堆肥的）聚合物的兴趣正在上升，即使生物塑料的总产量很小。欧洲生物塑料发布的数据（基于Nova研究所的信息）显示，2022年全球生物塑料产量达到190万吨，其中包括PE、PET和PA的生物基产品。这还不到全球塑料产量的0.5%（根据塑料欧洲PlasticsEurope的数据，2022年为4亿吨）。

 

标题图：生物塑料正在引起人们的关注。这些牙刷由Revelop设计，使用CJ Biomaterials的PHA改性材料生产，2023年获得了红点设计奖（图片来源：CJ BIOMATERIALS）

然而，尽管生物塑料是一个利基市场，但与当今的一些石油基的聚合物相比，生物塑料（Compounding World将其定义为从生物原料生产的塑料）可以减少环境影响，简化废弃物管理。虽然实际的环境效益因原料、生产方法、应用和报废方式而异，但该行业的发展迅速。

美国聚羟基烷酸酯（PHA）生产商Danimer Scientific的技术商业化副总裁Michael Mang博士表示：“生物塑料行业在过去十年技术进步的基础上不断发展，最近的发展在加速。从树脂生产商和成型厂商到品牌所有者和零售商，整个供应链都是这种情况，因为匹配市场需求的材料为客户需求提供了真正的解决方案。”

“这种加速由三个相互关联的领域衍生而来。首先，功能设计要求新材料必须适用于预期的最终用途。其次，包装工程师了解新材料的性能可以让生物塑料更快地用于预期用途。”

Mang补充道：“寿命终止性能是另一个生物材料发展加速的领域。”他们公司针对特定寿命终止性能进行设计的能力能够满足其客户对寿命终止性能的要求。

“举个例子，欧洲市场上的咖啡胶囊在处理时咖啡渣仍然留在里面，工业可堆肥树脂材料有机会用于这些胶囊。在这个案例中，我们设计了一种家庭可堆肥的树脂。”

Danimer等生物塑料开发商还必须得考虑客户如何加工他们的材料。Mang说：“客户在使用生物塑料之前已经有了适配传统塑料的加工设备，这些设备并不适配生物塑料。这一点几乎没有被考虑到。”

 

量产适配

“将生物塑料导入量产要对工艺和树脂进行适配，以激励设备所有者过渡到具有更高回报的高价值材料。”他表示，该公司已优先将这种适配要求纳入其树脂设计过程中。

总部位于荷兰的TotalEnergies Corbion（前身为Total Corbion PLA）是丙交酯单体的专家，也是聚乳酸（PLA）的领先生产商，聚乳酸是一种由可再生资源制成的生物基和可生物降解聚合物。该公司的Luminy PLA产品组合包括高温和标准PLA等级。目前，Luminy的所有生产都集中在其位于泰国罗勇产能为75000吨/年的工厂（2023年夏天，在法国Grandpuits建造第二座产能为100000吨/年的工厂的计划被叫停）。

Luminy PLA的应用已经很广泛，但该公司的应用专家Vladislav Jaso表示，未来可能会有更多的用途。“聚乳酸以其在包装，尤其是食品包装中的应用而闻名（图1）。不过，作为一种多功能聚合物，它也可以用于耐久应用。”他说道。

 

图1：Boplat耐用且色彩鲜艳的午餐盒由TotalEnergies Corbion的LuminyPLA注塑而成（图片来源：BOPLAT/TOTALENERGIES CORBION）

“PLA的改性生产与传统塑料的改性生产区别不大，但在PLA材料的改性生产和预干燥之前，需要注意对挤出机和干燥设备做更彻底地清洁。螺杆配置将取决于使用的添加剂，但Luminy PLA可以在传统的挤出机上加工，在传统的挤出机中，优选螺杆长径比为28：1以上的同向双螺杆挤出机。”

PLA改性材料开发的关键因素是控制结晶，尤其是用于注塑时。“PLA和（异构体）PDLA（通常用作成核剂）可以通过两个单独的喂料器加入，也可以通过侧喂料器作为干混混合物加入，之后应该有足够的时间和混合能力来确保均匀混合。如果需要的话可以增加液体喂料器，建议在料筒上设置常压和/或真空除气段，以去除挥发物。”他建议。

Jaso表示，其Luminy产品的典型应用包括由L105注塑级制成的化妆品容器，其中填充有木屑和天然可生物降解粘合剂。据说该材料能提供石头/木头的外观和触感，具有良好的加工经济性，并将奢华和几乎无限的设计可能性与减轻的重量相结合。

PLA改性材料也用于玻璃容器的盖子和封口，这些PLA改性材料用PLA树脂与工业副产品和山茶籽壳生产。这些改性材料已被用于取代热固性聚合物，据说它们可以减少对环境的影响，同时提供奢华的感觉。色母粒用于取代现有产品中使用的涂层工艺。

PLA改性材料也被用于儿童玩具，因为它们具有良好的抗冲击性和耐热性，比较耐用，同时具有优异的表面光洁度和着色性。2023年8月，道达尔能源公司向英国市场推出了30%回收含量的PLA产品，以应对塑料包装税（PPT）的实施。

 

PLA的增长

总部位于美国的Natureworks在内布拉斯加州的Blair运营着一个15万吨/年的PLA生产工厂。该工厂成立于2002年，生产玉米为原料的聚乳酸聚合物Ingeo。该公司现在是美国农产品集团嘉吉（Cargill）和泰国石化集团PTT Global Chemical的合资企业，已开始在泰国呵叻府建造第二家生产工厂。此前，该公司介绍了该项目的最新情况，其中包括甘蔗乳酸发酵、丙交酯单体生产和年产75000吨的Ingeo PLA聚合物生产线，并表示该项目正在按计划进行，工厂将在2025年启动。

Natureworks提供一系列Ingeo等级，涵盖食品和化妆品包装等多种应用——它与意大利IMA coffee合作开发了咖啡胶囊系统——以及非织造布和医疗产品。这种材料特别适合用于3D打印丝材，2023年早些时候，该公司宣布与捷普（Jabil）合作，将其扩展到3D打印粉末材料。捷普PLA 3110P级据说为要求较低的选择性激光烧结项目提供了PA12的经济高效的替代品。

可生物降解聚酯（如PLA）不好加工、最终产品脆性大。德国化学品集团瓦克（Wacker）已将她它的两种添加剂产品——Vinnex或Vinnex Eco和Genioplast Pellet——结合使用，以改善这两个问题。Vinnex系列聚合物有机添加剂以聚乙酸乙烯酯为基础，据说在可生物降解聚酯的改性方面有着良好的记录。用于热塑性塑料复合的硅基添加剂Genioplast Pellet系列添加剂通过减少摩擦起到加工助剂的作用。

瓦克应用工程师在一项专注于未填充聚乳酸和白垩填充聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的研究中探索了这些添加剂系统的组合可能产生的影响。PLA以其刚性、脆性和低结晶率而闻名。它的热稳定性差、熔体粘度高、熔体强度低，这些特性使得它的加工困难。相比之下，PBS表现出与聚烯烃类似的机械性能，是一种柔韧的材料，同时具有高的拉伸强度。

研究中使用的生物聚酯在KraussMaffei ZE-25双螺杆挤出机上混合，然后造粒并加工成各种试样，包括注塑板、流动螺旋试样、吹塑膜和模压板。根据行业标准对其进行了测试和评估，并使用无添加剂的可生物降解聚酯作为参考进行比较。Wacker表示，结果表明，Vinnex和Genioplast添加剂相互补充，当组合使用而不是单独使用时，会产生更大的影响。据说加工性能和材料性能受益匪浅。

 

图2 ：用CJ Biomaterials的PLA/PHA生物塑料混合材料挤出的Dongil Platech吸管（图片来源：CJ BIOMATERIALS）

韩国CJ Biomaterials公司是食品配料生产商CJ CheilJedang的子公司，也是PHA的重要生产商，该公司已与化妆品公司Riman Korea合作，为其Incellderm护肤品的包装生产PHA/PLA混合材料。该公司表示，PHA可用于改善各种聚合物的功能特性，可以增加这些聚合物的生物可再生含量。据说它们还可以很好地用作PLA等生物聚合物的改性剂，有助于加速生物降解并提高性能。PHA/PLA混合材料将用于包装Riman的产品Incellderm Active Cream EX、Dermatology First Package Booster EX和Vieton Oil Mist，它们的销售额超过540万件/年。

该公司还与Dongil Platech合作，使用PLA及其PHACT海洋生物降解生物塑料开发了一种饮料吸管（图2）。塑料吸管的使用及其对环境影响引起了全世界的关注，并引起了人们对替代解决方案的兴趣。

 

新型材料

CJ Biomaterials声称是全球唯一的无定形PHA（aPHA）生产商。这是一种更像橡胶的PHA版本，有着与传统的结晶或半结晶PHA根本不同的性能特征。该公司表示，在过去的时间里，包括化妆品包装、食品包装和有机废物管理在内的广泛终端市场对用PHA来提升生物塑料性能的兴趣有所增加。

该公司表示，品牌方正在回应消费者对具有更多生物基含量和更多寿命终结方式如堆肥等产品的需求, 尤其是在食品包装市场。该公司表示，aPHA提供了一种实用的解决方案，因为它通过了TUV OK认证，可用于工业和家庭堆肥，并且可在土壤和海洋中生物降解（图3）。最近的测试表明，如果aPHA/PLA比率大于约0.5，则PLA和aPHA混合材料可以在家中堆肥（纯PLA只能在工业工厂中堆肥）。该公司表示，这一点意义重大，因为它将PLA/aPHA混合材料的应用范围扩展到了软质包装等领域。

 

图3：CJ Biomaterials表示，其aPHA生物塑料可用于制造家庭可堆肥的PLA/PHA混合材料（图片来源：CJ BIOMATERIALS）

“目前，人们对aPHA的价值和独特优势缺乏了解，这与20世纪50年代刚引入聚乙烯时的情况类似。CJ Biomaterials研发副总裁Raj Krishnaswamy表示：“在他们开始使用这种新材料之前，市场必须先弄清楚这种新材料是什么以及如何有效地使用它。”

他以CJ Olive Young为例，该公司是韩国领先的健康和美容产品零售连锁店。“新的化妆品盒用aPHA/PLA混合材料来取代丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）。一些发达国家和领先的化妆品品牌正在努力想办法替代掉ABS，ABS是一种石油基、不可生物降解的塑料，PLA/aPHA混合材料引入了一种更环保的替代品。目前，我们与Banila合作开发了世界上第一个使用aPHA技术的100%生物基化妆品瓶子。”

2023年10月，CJ Biomaterials与澳大利亚生态设计者公司Revelop合作开发的PHA Head-Up牙刷获得了德国2023年红点设计奖。该牙刷是设计概念学科中“可持续”类别的冠军。CJ Biomaterials首席商务官Max Senechal表示：“我们希望红点设计奖的认可将有助于推广PHA的优势，并通过展示其在各种终端产品中的多功能应用来加速PHA材料的商业化。”

 

木质解决方案

Woodly是一种部分可再生聚合物，在芬兰使用木纤维素生产，据说它具有类似于传统石油基塑料的性能，同时具有碳中和性和可回收性（图4）。这种材料的40-60%基于生物，具体取决于等级。最近，作为促进休闲和旅游业可持续发展计划的一部分，一些娱乐场所选择了这种材料来生产可重复使用的杯子。

 

图4：这些可重复使用的杯子用Woodly的木质生物塑料生产，并在芬兰使用（图片来源：WOODLY）

参与该计划的SKA Ravintolat的董事会主席Kimmo Sirviö表示：“有了这些可重复使用的杯子，我们不仅减少了环境足迹，还为客户提供了一中更环保的选择，有助于更可持续的夜生活文化。”

Woodly目前有两个产品系列。据说100系列牌号既适用于吹塑薄膜挤出，也适用于流延薄膜挤出。薄膜是透明的，可以热成型。200系列是为注塑而开发的，透明度很高。据说Woodly材料适用于食品接触应用，但不可堆肥。去年早些时候，Hromatka集团的Guzman Polymers被指定为Woodly在西班牙、葡萄牙、意大利和土耳其的经销商。

生物塑料不仅限于PLA和PHA，许多高性能聚酰胺也完全或部分是生物基的。土耳其改性公司Eurotec的Techmidbio系列的一部分全生物基工程改性材料基于聚酰胺，如PA5.6、PA5.10、PA11、PA6.10、PA10.10和PA10.12。该公司表示，作为汽车和白色家电应用中PA6和PA66的替代品，生物基含量取决于基体材料和增强类型。

还有Tecomidbio NI40 CR30 BK111 HS，这是一种用30%再生碳纤维增强的PA6.10，专为汽车应用而开发，以及Tecomidbo NR30 NL CA，一种未填充和热稳定的PA11，尺寸稳定性高、吸湿性低以及密度低。该公司还开发了部分生物基产品，为电动汽车冷却系统中使用的连接器和外壳提供了所需的高耐水解性。这些部分生物基产品包括Tecomidbio NQ40 GR30 NL HS 30%玻璃纤维增强PA5.10和Tecomidbo NI40 GR30 NLHS 30%玻璃钢增强PA6.10。

Tecobio是一条完全可生物降解的产品线，该产品线基于PLA、PBS、TPS和PBAT与天然或合成添加剂和增强材料的混合物。Tecobio PL30 WR30 NL是一种30%的木材填充PLA，设计用于钢笔、牙刷和餐具。Tecobio PL40 MF25 NL 01是一种25%矿物填充的PLA/PBS混合材料，专为需要更高耐热性的餐具开发。

本文翻译自AMI《COMPOUNDING WORLD》，全文有删减
作者 / Chris Saunders

 

来源：荣格-《国际塑料商情》

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