生物塑料制品的长期耐久性如何？ 实验结果出乎意料

为了增加目前使用有限的生物塑料和生物复合材料在耐用品上的应用，首先应获得关于其长期耐用性的充分信息。作为BeBio2项目的一部分，德国卡塞尔大学正在与一批研究所和50多个产业伙伴合作共建数据库。通过对消费品和工业品进行性能分析，他们希望能够确保透明度并提高它们在塑料加工中的接受度。

标题图：室外风化测试站，其试样由再生纤维素纤维增强生物PA和PLA制成 ©卡塞尔大学材料工程研究所IfW

可再生原料可以用来生产医院里用的注射袋和输液袋、生物基塑料可以用来生产婴儿摇铃和夹块、PLA和生物PA也用于汽车和电气行业……这些成功的案例意味着可持续发展的理念已深入塑料行业和消费者心中。

但是，事情并没有那么简单。2021年，全球生物基聚合物在塑料总量中的份额还不到1.5%。这一比例需要大幅提高，因为欧盟国家为自己设定了目标，即到2050年实现气候中和，同时避免使用化石原料。业界希望通过大幅增加塑料的回收来实现这一目标。剩余部分不得不由生物聚合物来负责。然而，除了价格和供应量之外，关于生物基塑料耐久性的数据贫乏，相关信息难以获取，这些都是生物基塑料实现广泛应用的阻碍（BioResist调研报告；FKZ：22001017）。

许多塑料产品——尤其是医药、玩具和电子等领域的塑料产品在生产和应用中都有极高的要求，特别是在长期耐久性方面。因此，企业仍然对目前现有的生物塑料，如聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）以及生物聚酰胺（PA）等直接替代式解决方案持怀疑态度。人们对这些材料的性能仍缺乏了解，例如温度、湿度和紫外线辐射等外部因素的影响，尤其是在其中起着重要作用的时间因素。

企业和用户需要了解由可再生原料制成的塑料在较长时间内的耐久性信息，以便更有针对性地进行使用并发挥其最大价值。但是，这些调研的成本高昂，且必须持续数年。

利用数据库整合长期使用信息

由卡塞尔大学领导的“BeBio2”研究网于2021年启动，旨在缩小生物塑料和生物复合材料耐久性方面的信息差。卡塞尔大学塑料工程系材料工程研究所与德国斯图加特大学塑料工程研究所、德国弗劳恩霍夫应用聚合物研究所 IAP、提供数据分析等解决方案的Altair公司以及50多家产业伙伴正在努力为塑料行业建立生物基塑料耐久性数据库。建立该数据库的目的是显著提高公司和消费者对生物基聚合物的接受度，便于它们越来越多地被用于需要高耐久性的领域。迄今为止，这仍是一个独一无二的项目。它建立在BioResist研究项目的基础上，该项目对生物塑料目前使用有限的原因进行了调查。因此，“BeBio2”熟悉德国联邦食品和农业部（BMEL）“Nachwachsende Rohstoffe”（可再生资源）资助计划的各个方面，并通过可再生资源局（Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V.）获得了资助。

产业合作研究

该联合项目分为两个中心项目区：消费品（办公、家居、医药、玩具）和工业品（汽车、建筑、电子）。此外，两个跨部门项目不仅涉及PLA的水解，而且涉及生物塑料老化的建模。这些模型应能进行性能预测，从而为数据库提供核心附加值（图1）。

图1：BeBio2研究网的结构（来源：卡塞尔大学，图：© Hanser）

针对该研究，复合材料由生物基塑料以及天然纤维、淀粉和添加剂制成，然后加工成试样。接着，它们会经历长达21天的加速老化的过程。下一步是老化复合材料的机械、光学和结构表征（图2）。

图2：BeBio2的12个子项目流程图（来源：卡塞尔大学，图：© Hanser）

图3：多种老化生物塑料和生物复合材料的拉伸强度（来源：卡塞尔大学，图：© Hanser）

在整个项目期间，近50个产业伙伴为研究网提供了支持，确保了产业导向的研究顺利进行。参与公司包括B. Braun Melsungen AG（医药）、Bruder Spielwaren GmbH + Co. KG（玩具）和Vorwerk Deutschland Stiftung & Co. KG（家居）等大型知名企业，以及塑料行业的中小型代表，如Alfred Pracht Lichttechnik GmbH（照明技术）、TechnoCompound GmbH和FKuR Kunststoff GmbH（两家都是塑料复合材料制造商）。

因外部天气条件引起的拉伸强度变化

初步调查结果显示，各种环境因素对某些生物塑料的性能都有影响。举例来说，图3 所示为增强和填充PA10.10、PBS和PLA在五种老化情况下的拉伸强度。BeBio2研究网的后续调查结果将在未来公布。

以PA10.10和PBS为基体材料的两种试样在添加了30wt. %再生纤维素纤维（100%生物基）之后，其拉伸强度均显著增加。如果在PLA中掺入颗粒填料，如土豆淀粉（50wt.%），则不会出现增强效果，反而会导致材料脆化。

此外，从图3中可以清楚地看出，与在标准气候（23°C，50% rH）下储存相比，在水（23°C）和湿度（23°C，90% rH）因素的影响下，含填料/增强剂的试样的拉伸强度明显降低，填充了50wt.%土豆淀粉的PLA的拉伸强度更是显著降低。温度储存（70°C，50% rH）显著改变了生物塑料和生物复合材料的性能。用30wt.%再生纤维素纤维增强的PA10.10和PBS的拉伸强度显著增加，而填充和未填充的PLA则损坏严重，无法再进行测试。

因此，对于所有填充材料而言，在上述外部条件下，水、湿度和温度都会导致它们的拉伸强度显著降低或增加。另一方面，冰冻（-18°C）却对生物塑料几乎没有影响。

图4：风化（上）和未风化（下）的30wt.%纤维增强的PA10.10试样（来源：卡塞尔大学，图：© Hanser）

除了机械性能之外，还对其他特定应用的性能进行了表征，例如：因环境影响而引起的颜色变化以及气味和排放行为的变化。例如，由于风化作用，用30wt.%纤维增强的PA10.10出现了明显的光学变化。图4所示为与未风化的参考样本（下）相比，试样（上）出现了白色变色。科学家们将这种变色归因于紫外线辐射的影响。

人工风化与自然风化

为了在研究网内进行均匀的风化，塑料工程师使用了专门开发的加速风化循环（图5）。他们对试样进行了14个夏季周期接着14个冬季周期（每个周期 18 小时）的风化，因此总持续时间为21天。每个周期代表一天中温度上升和下降、湿度下降和上升的过程以及一个有紫外线辐射的阶段。夏季还额外增加了雨季。

图5：人工风化周期由14个夏季周期和14个冬季周期组成（来源：卡塞尔大学，图：© Hanser）

作为一个特殊的研究机构，IfW拥有一个具有天气记录功能的户外风化测试站，试样将通过该装置在自然天气条件下暴露数年。因此，其结果可用于对人工风化和自然风化进行比较。

在这个持续进行的项目中，研究人员和相关公司为自己设定了后续目标，即充分识别生物塑料和生物复合材料特定于某个应用的降解和老化机制，并确定其对材料性能的影响。只有这样才能全面了解材料的耐用性并将其纳入数据库。他们将在公共研讨会上展示这些结果并进行讨论。

本文翻译自Plastics Insights杂志
作者：Prof. Dr.-Ing. Hans-Peter Heim，Victoria Goetjes，Celia Falkenreck，Samantha Pfanzer

来源：荣格-《国际塑料商情》

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