Bio降解材料的四大分类及优缺点

随着国家颁发了限塑令 ,研发降解材料成为业界奉行可持续发展的一个重要方向。 

生物降解材料, 是指在自然界中如土壤和/或沙土等条件下,和/或特定条件如堆肥化条件下或厌氧消化条件下或水性培养液中,由自然界存在的微生物作用引起降解,并*终完全降解变成二氧化碳(CO2)或/和甲烷(CH4)、水(H2O)及其所含元素的矿化无机盐以及新的生物质(如微生物死体等)。 

针对白色污染应运而生 

从全球范围来看,塑料垃圾造成的白色污染对地球的伤害不言而喻,只要有人类活动过的地方,都会留下白色污染的痕迹,在塑料发明后的150年间在洋流作用下,太平洋里形成了三处大规模塑料垃圾场,全球65年的塑料产量中仅有1.2%被回收,其余大部分被掩埋在人类脚下,等待600年的降解。 

我们来看看”白色污染”的具体危害:1. 不易腐烂,垃圾堆放增加,占用了人类活动的空间;2.焚烧处理不当会给环境造成二次污染,焚烧过程产生有毒物质,同时造成资源的浪费;3.埋入地下不易分解,填埋的高分子材料中用于改性的添加剂会逐步渗漏出来,对水质和土壤造成破坏,部分高分子材料长达数百年降解,占用大量填埋空间   4.漂浮在水中造成海洋污染,危害动植物的生存,破坏生态系统。 

因此,近些年来,人类逐步开发出了生物降解材料,并且发现生物降解材料是一种很好的替代传统塑料的产品,是白色污染的高品质解决方案。 

降解过程 

首先当生物可降解材料被扔到大自然中,经过一定条件(土壤、沙土、堆肥、厌氧、水性培养液等),自然分解为小块,实质就是高分子断裂的过程,再经过外界条件的摧残,分解为大分子,再分解为小分子,被微生物吸收后,释放二氧化碳和水,同时植物通过光合作用,释放出氧气。 

四大分类及其优缺特点 

生物降解材料到底有哪些种类? 

目前应用*多的主要分为四大类,PLA类(聚乳酸)、PBS类(聚酯类)、PBAT类(聚酯类)、PHA类(聚羟基烷酸酯)。 

PLA:是*常见的可降解塑料之一,是以乳酸为主要原料聚合得到的聚合物。PLA生产过程无污染,而且产品可以生物降解,使用后的PLA 可以通过堆肥,在温度高于55℃或富氧和微生物作用下降解为二氧化碳和水,实现在自然界中的物质循环,不会对环境产生影响。目前聚乳酸的生产主要采用丙交酯开环聚合工艺将乳酸先脱水生成低聚物,然后解聚生成丙交酯,再开环聚合制得聚乳酸。PLA还具有可靠的生物安全性、生物可降解性、良好的力学性能和易加工性,普遍用于包装、纺织行业、农用地膜和生物医用高分子等行业。PLA 的缺点是降解条件相对苛刻。但由于PLA在生物降解塑料中具有相对较低的成本,PLA 的消费量居于前列。 

PBS:是由于丁二酸和1,4-丁二醇经缩合聚合而成,原料主要来源为石油或生物资源发酵。PBS易被自然界的多种微生物或酶*终分解为二氧化碳和水,具有良好的生物相容性和生物可吸收性,良好的耐热性能。PBS可以用包装薄膜、餐具、发泡包材、日用品瓶、药品瓶、农用薄膜、农药及化肥缓释材料等领域。由于中国丁二酸原料有限,PBS的衍生物PBAT和PBSA顺应而生,其与PBS的性能基本相似,但加工性能不及PBS。 

PBAT:属于热塑性生物降解塑料,一般以脂肪族酸、丁二醇为原料,经石化途径或生物发酵途径生产,既有较好的延展性和断裂伸长率,也有较好的耐热性和冲击性能。由于PBAT的成膜性能良好,易于吹膜,普遍用于一次性包装膜及农膜领域。此外,PBAT还具有优良的生物降解性,是可降解塑料研究中非常活跃和市场应用**降解材料之一。 

PHA:PHAs类可降解塑料有聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚3-羟基丁酸酯(PHB)等类别,PHA的降解方式很特别,使用完后PHA可以在生物体内完全降解成β-羥基丁酸、二氧化碳和水。PHAs类可降解塑料热变形温度高、具有良好的生物相容性,但加工温度范围窄、热稳定性差、脆性大、生产质量不稳定、可用于一次性用品、医疗器械手术服、包装袋和堆肥袋、医用缝线、修复装置、绷带、骨科针、防黏连膜及支架等领域。 

来看看它们的优点和不足: 

可降解材料在性能、实用性、降解性、安全性上都有其优势。在性能上,可降解塑料可以达到或在某些特定领域超过传统塑料的性能;在实用性上,可降解塑料有与同类传统塑料相近的应用性能和卫生性能;在降解性上,可降解塑料在使用后,可以在自然环境下(特定微生物、温度、湿度)较快完成降解,并成为易被环境利用的碎片或无毒气体,减少对环境的影响;在安全性上,可降解塑料降解过程产生或残留的物质对环境无害,不会影响人类和其他生物的生存。 

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缺点:目前替代传统塑料的**阻碍,是其生产成本较同类传统塑料或再生塑料高。因此,在包装、农膜等使用时间短、难以回收分离、对性能要求不高、对杂质含量要求高的应用领域,可降解塑料更具有替代优势。 

包装行业应用占大比重 

从2019年全球可降解塑料消费结构和2017年西欧和北美可降解塑料消费结构可以看出,包装行业占据很大的比重,特别是硬包和软包,这是因为传统塑料的单体用量低,容易污染,难以高效分离,这使得可降解塑料更有机会在这些领域成为传统塑料的替代品,在可降解塑料中PLA、PBAT的生产较为成熟,且总产能占比居于前列,PHA的性能优异,随着成本下降,未来有望从医疗高品质领域拓展至包装、农膜等更大的市场。因此,这三种可降解塑料或成为替代传统塑料的主力。