中国完全可降解塑料的研发与应用

徐长发，华中科技大学，2020.6.15

没有人会想到，20世纪的一项伟大发明—塑料，已经成了“白色污染”物。因为石油化工塑料在自然界中很难降解，一般降解周期为200至400年。被抛弃的塑料垃圾不仅严重损害环境，造成土壤恶化，影响作物生长，被牲畜误食后还会造成牲畜生病和死亡，塑料垃圾被抛入河流、湖泊又会使水质变坏，现在在太平洋中都出现了垃圾岛了，“白色污染”到了可怕的地步。

我国已经要求，在2020年底将率先在部分地区、领域禁止、限制部分石油化工塑料制品的生产、销售和使用，2022年底要推广一次性塑料制品的替代品，2025年底全国禁止使用不可降解的塑料包装、胶带、编织物等。

为此，我国在2个方面采取了措施：

一是垃圾分类，石油化工塑料回收再利用。据相关数据，中国每年废弃塑料约4000万~4500万吨，回收利用废塑料约2000万吨，但仍有大量的塑料制品污染了自然环境，尤其是塑料包装制品，一次性塑料用品。

二是研究污染塑料的替代品，尽可能的减少“白色污染”。

顺便强调，防止塑料污染的替代品专业上称为“可降解塑料”。

人们都很关心，关于替代一次性塑料制品的问题，我国的研究开发情况如何?我国能够如期实现国家的这个计划吗?

1.什么是可降解塑料

可降解塑料不一定是塑料，是指能够替代原塑料产品的降解材料，或者说，石油化工塑料≠可降解塑料=可降解且有塑性的材料。

从降解方法方面看，分为3类：光降解方法;生物降解方法;光和生物双降解方法。

所谓光降解方法，有些“特殊光敏物质”的分子结构很容易受到光的破坏，如果把“特殊光敏物质”的分子插入到大分子材料的结构中，这样做出来的大分子材料在光的作用下，光敏分子先发生变化，使得大分子结构裂解为短小的结构，这就达到了降解的目的。

所谓生物降解方法，就是在土壤中存在很多微生物，微生物会分泌“水解酶”，有很多材料(例如脂类结构)很容易受到水解酶的破坏，把它们掺入到大分子结构中，于是这种新的高分子链就很容易被水解酶切断，成为小分子化合物。这就达到了降解的目的。

从降解效果看，降解塑料分为不完全降解的和完全降解的两类。

不完全降解塑料，一般都是用原来的石油化工塑料做基础，中间插入一些分子，做成一种新的大分子材料，在光或者微生物的作用下，大分子裂变为小分子，大分子是降解了，但是原石油化工小分子还不能降解。一般的，我国不注重这类产品。

完全降解塑料，这类产品一般不是用石油化工材料做基础，而是用天然的或者是合成的材料做基，这种大分子材料在使用一段时间之后，高分子链变为短分子链，短分子链还要在另一些条件下降解为二氧化碳和水，这样高分子材料就被完全降解了，不会造成任何污染。我国注重的是完全降解产品。

从降解方法手段来看，要把高分子材料降解为小分子材料的方法是多样化的，但是要实现完全降解最后必须依靠微生物降解。

2.完全生物可降解材料的几种制作方法

有很多种方法去制作完全生物可降解的材料，下面列举几种：

1)用多种可降解的大分子材料混合成完全降解塑料。

例如流行的办法，用淀粉、纤维素、木质素、多糖等天然可降解的大分子材料，再配以其它的可降解材料。这样的降解塑料在自然界中最终会被微生物降解为二氧化碳和水。

2)用化学方法制成生物完全可降解塑料。

原料，是有机硅烷竹纤维树脂。首先以竹纤维为原料，通过高温碱煮的水热作用，使得半纤维素分离出有机酸，有机酸进一步促使纤维素水解，导致糠醛产生;接着再通过糠醛和苯酚在氨水的作用下发生聚合反应生成糠醛树脂，从而使得竹纤维树脂化。还利用有机硅烷对树脂化的竹纤维进一步处理，制备得到有机硅烷竹纤维树脂。

辅助材料：纳米二氧化硅，柠檬精油和二氧化碳。

合成过程：在催化剂的作用下，把基本材料和辅助材料共聚，即可生成可降解塑料的基料。

该可降解塑料基体具有和聚苯乙烯类似的性能，其耐油污性极佳，并且完全可降解。

3)大家都知道，脂类大分子能够被完全降解。所以用化学方法生成聚丁二

酸脂类、聚丁二醇脂类的“基本材料”，或生成聚烃基脂肪酸脂类的“基本材料”，或生成聚碳酸亚丙脂类的“基本材料”，或生成聚乙烯醇类的“基本材料”。这些基本材料都是完全降解塑料的基料。

4)科学工作者发现，丙烯脂类的大分子能够被完全分解。用丙烯做成聚酯

復合材料可以在海水中完全降解。

5)用生物和化学的方法制成一种完全生物可降解塑料。

先用生物发酵的方法获得单乳酸，再用化学的方法合成得到“聚乳酸”。“聚乳酸”是被广泛认可的好的降解材料。

在合成大分子材料时，在分子结构中引入“聚乳酸”、“聚己内脂”等，因为“脂基”在自然界中会被分解为二氧化碳和水，无毒，无污染。

用“聚乳酸”和其它纤维材料构成的完全降解塑料，是国内外一致认为是有发展前途的材料之一。

6)热塑性淀粉树脂降解塑料

将淀粉分子变构，形成具有热塑性的淀粉树脂，再加入极少量的增塑剂，就,可以制作所谓的全淀粉塑料。其中淀粉含量在90%以上，而加入的少量其他物质也是无毒且可以完全降解的，所以全淀粉是真正的完全降解材料。全淀粉塑料的加工也特别方便。全淀粉塑料是国内外一致认为有发展前途的完全生物降解塑料。

7)二氧化碳树脂作为全降解塑料

有人使用二氧化碳和环氧乙烷(或环氧丙烷)，在特殊催化剂的作用下，按一定的比例混合共聚，生成聚碳酸酯，便制成了具有新特性的二氧化碳树脂，这是可降解的、非常有应用前景的降解塑料原料。

8)复合型全降解塑料

我国北京降解塑料研究中心，研发出一种复合降解塑料，具体配方不明，原理是利用多种可降解原理，利用光、生物的双降解方法，制成一种完全降解塑料。该材料具有满足一定要求的力学性能，易加工，完全降解，还大幅度地降低了成本。据说用这种降解材料做包装、塑料薄膜等都是合适的，据说在国外也有很强的竞争力。

3. 研发和生产完全可降解塑料的性能要求

1)物理性能：

在拉伸、撕裂、冲击、封口强度方面达到使用要求

在室温下，15个月内的拉伸强度保持95%

制造容易，可使用传统设备生产。

2)生物降解性能：

堆肥条件下90天，生物降解率大于90%

3)毒性及重金属标准：

堆肥降解残留对动物没有危害

产品中的重金属行列低于规定标准

4. 我国的生物完全降解塑料的类型、应用前景和存在的问题

对于生物完全降解塑料，我国很早就有研究。近几年我国更是加大了投入，现在已经建成了数个大型的生产线，也有一大批具有一定产能的企业。

我国拥有知识产权的产品主要集中在使用化学方法的合成树脂方面：聚丁二酸脂类、聚丁二醇脂类(PBS)的“基本材料”，这几类基本材料的产能最高;、聚乙烯脂类、聚烃基脂类(PHAs)的材料，也有相当的规模;聚碳酸亚丙脂类(PPC)的材料和丙烯聚脂类材料正准备正式生产。

美欧拥有知识产权的产品主要是聚乳酸类(PLA)的材料。这类材料我国基本不生产。

我国在完全降解塑料的“基本材料”的研发和生产方面，都已经走在世界的前面。

这里所说的是关于完全降解塑料的基本材料，颗粒状的基本材料，在制作实际用品时，可根据用途掺入其它的可降解材料，例如膨润土、淀粉、纤维素、植物纤维等，一起加工成完全降解的“新型完全降解塑料产品”。

全世界对完全降解塑料的需求非常大，亚洲也非常大，中国自身的需求量就非常大。

别的不说，就看大家所熟知的几项需求。

超市、电商的商品以前都是有石油化工塑料包装的，将来全部要换成完全降解塑料包装。

全国老百姓常用的一次性饭盒、一次性纸杯等等，将来全部要换成完全降解塑料制品。

全国老百姓常用的方便袋，以前都是石油化工产品，的确提供了极大的方便。将来方便袋不可能取缔，但是会提倡自带购物袋，而且必要的方便袋必须换成完全降解塑料制品。

垃圾袋必须换成完全降解塑料制品。

农村对塑料薄膜的需求量非常大，将来全部要换成完全降解塑料制品。

沿海地区多采用在盐水中完全降解的塑料，也就不会污染海洋了;

医疗界非常多的一次性用品，外科用缝合线、胶布、以前都是石油化工塑料制成的，将来会部分回收，部分换成完全降解塑料制品。

至于我国在完全降解塑料的使用方面所存在的问题：1)群众对自觉使用完全降解产品的自觉性还不够高;2)国家正在逐步推广“强制垃圾分类”措施，这样两个好处，一是减少了污染增加了回收，二是可以宣传、强制执行措施，进一步加强“绿色环境”的观念，以便于推广完全降解塑料的使用。3)目前研究出来的完全降解产品也不少，普遍存在的问题是，完全降解产品的成本较以前的石油化工产品的成本要高，这对普及和推广完全降解产品带来一定的障碍;要解决这个问题需要综合的条件：人们的收入进一步提高，人们的环保意识进一步加强，完全降解产品的成本再低一点，行政管理再到位一点。

推广和使用完全降解塑料产品不光是事在必行的远景问题，关键是要早研发、早获得专利，还要早生产，早占领市场。一个最典型的例子是“聚乳酸”完全降解的基本材料，专利权不是我国的，我国要生产就得交出费用、交出部分市场;“现在科技的商业战场”也是残酷的。

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