生物塑料的应用与发展

由于石油和汽油价格低廉，许多公司会选择通过降低成本来提升利润，而弃用实际上更加环保的创新技术，这样的现状不利于生物基和生物可降解塑料的发展。尽管如此，生物塑料的市场需求仍在增长，投资也在继续涌入。这是因为，该材料符合企业发展的愿景，并且在可持续发展政策的背景下，具有功能多元化、论据正确性和方案优越性的特点。

生物塑料的应用与发展

    为什么越来越多的公司和国家都看好生物塑料？驱动其发展的原因是什么？该材料的两个突出特性就足以回答这些问题。一方面，生物塑料的来源是可再生原材料;另一方面，生物塑料具有生物可降解能力，后者更是作为其主要特性。这两个特性彼此独立，方向不同，并且各自的代表材料相互间没有竞争性。一言以蔽之的“生物塑料”显得有些武断，且容易引起混淆。而这两个特性都具有极其重要的意义。

    生物塑料

    在特定的聚合物范畴里，生物基含量为30%的PET在产能和市场方面算是处于领先地位的杰出代表。Nova研究所已经公布了全球生物塑料近年间产能发展情况的专业数据，这些数据也被欧洲生物塑料协会用于其公开发表的数据中。

    如果能够从生物原料中生产出乙二醇(MEG)，那么基本上每个生产厂商都能够制造出生物基含量为30%的PET。市场目前能供应约30万吨的生物基MEG，能够生产出约100万吨生物基含量为30%的PET。其中的一部分PET被可口可乐公司用于饮料瓶生产。实际上，可口可乐从2009年就着手于这项生产项目。从那时起，该公司制造出超过400亿个含有生物PET的饮料瓶，减少了超过30万吨的二氧化碳排放量。

    在2015年春季，可口可乐展示了第一个使用了100%对苯二甲酸(PTA)的生物塑料饮料瓶。但生产PTA对于创业公司而言还不够经济，目前他们还在测试各种综合方法。生物基PET材料易于回收且适合长期应用，满足了未来对塑料行业的高要求。目前，使用PET的用户数量和应用领域正在稳步上升，范围涵盖医药包装、汽车零件、户外纺织品等。

    聚乙烯呋喃酮(PEF)

    在PET获得成功之后，聚乙烯呋喃酮(PEF)目前还在发展中，该材质由MEG和呋喃二甲酸(FDCA)制造而成，从起始链段开始就是100%生物基。位于荷兰阿姆斯特丹的Avantium科技公司是FDCA生产领域的技术领导者，位于德国路德维希港的巴斯夫欧洲公司，去年3月份宣布在比利时安特卫普新建一个FDCA的生产工厂，产能高达5万吨/年。日本东京的三井物产株式会社也与之签订了长期供应合同。

    与PET相比，PEF的定位是对CO2和O2具有更强阻隔性的材质。因其具有更高的机械强度，可生产出壁厚更薄的包装，从而减少薄膜和瓶子的包装重量。基于其功能性、环保性能和成本优势，PEF被公认为生物塑料市场前途光明的一个新材料。

    聚乙烯

    生物聚乙烯(PE)已经进入市场发展多年。位于巴西圣保罗的Braskem公司，是目前唯一在竞争艰难的日用品领域成功将该聚合物定位为优质产品的制造商——没有赋予其新功能，其优势是碳排放更小。目前，其客户群正在增长，分销渠道在继续开发。食品制造商过去关于食品和非食品之间的包装采用，往往都会避免采用生物塑料包装，如今他们再次看到了商机(见图3)。对于制造商来说，生物基PE的产能达到20万吨/年是重要的第一步，进一步的投资现在也在考虑之中。尽管生物PE材料也被应用于科技产品中，例如电缆外层或污水管道，但生物聚烯烃主要的用途仍然是非食品包装领域，如化妆品或消耗品的包装

    值得引起注意的是各包装巨头，如英国拉什登的RPC集团、澳大利亚霍桑的Amcor公司、芬兰赫尔辛基的Stora Enso集团以及德国杜赛道夫的Gerresheimer公司，都极其重视“生物基”，并把它作为未来发展之本。位于瑞士皮伊的TetraPak国际公司，计划在2016年初向市场投入约1亿个100%生物基的TetraRex包装盒，其材料来源为Braskem生产的生物PE材料

    聚酰胺

    卓越的耐受性和高弹性是许多生物聚酰胺(PA)的基本特性。与已经投入市场数十年的PA10和PA11一样，新型PA4和PA5因其特殊性能，如温度稳定性、耐化学性和尺寸稳定性，也正在吸引市场关注。传统意义上的PA往往用于汽车领域的特殊应用，而生物PA也征服了消费品领域，例如户外衣物、运动鞋和眼镜框架。主要聚合物生产商，如KS/美国威奇托的Invista S.a.r.l.公司、荷兰海尔伦的DSM工程塑料公司、德国埃森的Evonik工业公司，为了进一步拓展PA单体组合的范围，正积极与各生物技术公司展开合作，如加拿大/美国门洛帕克的Calysta公司、中国上海的国泰生物科技有限公司、马来西亚雪兰莪州的Emery Oleochemicals集团以及加拿大/美国卡尔斯巴德的Verdezyne公司。

    其他生物塑料

    客户需求推动了可持续的高性能塑料的发展。透明度高、耐刮擦的“Durabio”合成材料获得了2015年的“生物塑料奖”，该生物聚碳酸酯(PC)来源于异山梨糖醇，由法国莱斯特朗Roquette Freres公司、日本东京的三菱化学株式会社和日本大阪的夏普株式会社联合制造。

    客户对于生物塑料卓越的性能要求也同样促进了聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)的发展，该材质尤其适用于弹性工艺纺织纤维的应用(见表1)。如果把热固性塑料也考虑进去，其衍生物的数量会更多。生物基聚氨酯(PU)或聚环氧化合物如今也有多种不同的应用，前景看好(见图6)。有意向的公司可以利用数量与日俱增的商业适用生物基单体结构单元，主要是二元醇或多元醇，其性能的改良空间也跟生物成分一样大。

    生物塑料在玩具行业的应用也与日俱增。丹麦比隆的乐高玩具公司在2015年发表声明称，到2030年将只使用可持续原材料生产产品，这相当于7万吨/年塑料产能。寻找能够替代化石ABS的材料是其接下来的任务，降低碳排放也必须执行。乐高玩具公司已经成立创新中心，并且已经与生物聚合物制造商及世界自然基金会(WWF)开展了合作。尽管生物塑料已经在玩具领域有所应用，但其市场发展仍然处于起步阶段。

    生物降解塑料

    与其化学和物理结构相关，很多聚合物具有生物可降解的特性，其中，聚酯是最大的分支。结构复杂的聚合物材质聚乳酸(PLA)有不计其数的结构，其中包括持久耐用的一种结构。MN/美国明尼通卡的NatureWorks公司是众多制造商中的领先者，以15万吨/年的产能高居榜首，把竞争对手远远甩在身后。目前，众多公司都在尝试制造工艺或生产工艺的进一步提升。荷兰阿姆斯特丹的Corbion公司宣布计划在泰国Rayon投建产能为7.5万吨/年的工厂，预计将在2018年投入运营。

    PLA如今已经在全球范围内销售，其主要应用于包装领域、纤维和薄膜，绝大部分以复合物的形式占据重要的市场份额。该材质的功能性，适用于多种领域：食品包装(例如，酸奶杯、饮料瓶、复合薄膜或发泡容器)作为纺织品纤维或技术产品(面料、过滤器、无纺布材料)或者用于耗材(例如办公用品或技术元件)。

    PBS和PBAT

    由于丁二酸(SA)生物技术的蓬勃发展，专家预计聚丁二酸丁二醇酯(PBS)的生产将迎来迅猛增长。如同PLA一样，该脂肪族聚合物可以是100%的生物材料，可以通过氢化SA来制造1，4丁二醇(BDO)，或直接通过发酵来制造BDO。诸如巴斯夫、帝斯曼工程塑料和三菱化工等化学公司正在投资这一科技领域的创新生物科技新兴企业，例如加拿大魁北克的BioAmber公司、加拿大/美国圣地亚哥的Genomatica公司，以及摩洛哥/美国沃本的Myriant公司。相信PBS很快会像如今已经广泛应用的聚己二酸丁二醇酯二醇(PBAT)那样做到大规模生产。这两种聚酯材质都已广泛用作淀粉或PLA的软化混合成分，且从“包袋市场”的增长中获得了最大收益。

    许多国家和地区已经有相关国家法律规定须分拣生物废品和其他废弃物，如：意大利的运输包装，法国的水果和蔬菜包装袋，这促成了7万吨产能可堆肥包装袋的巨大市场。而未来的市场潜力更大：专家预测欧洲未来5年的可堆肥包装袋消耗量将会是目前的三倍，全球市场潜力也会在未来5年内增长数倍。当前，nova研究员正在细致地研究分析欧盟市场和基本法律条件的重要性。

    PHA

    作为聚酯家族的另一成员，聚羟基脂肪酸酯(PHA)直接产自细菌体，不同结构的PHA展现截然不同的特性，其中一些结构可以在各种介质中彻底分解。众多小规模公司，正在努力尝试在全球范围内进行生产和营销。最近，意大利圣乔治-迪皮亚诺的Bio-OnSrl公司宣布与欧洲两大有意向的商业伙伴合作，他们分别来自意大利和法国，计划新建两个生产工厂，每个工厂分别具有约1万吨/年的产能。中国和美国的公司亦在涉足PHA领域。

    可降解聚合物的发展情况比目前认为的更加复杂。PLA本身已经具备一些现代塑料性能：可根据特殊用途的需求来实现定制，诸多结构只需与其他聚合物结合就能充分发挥其特性。当前焦点集中在一个相对窄范围的产品品类——采用多种可降解聚酯制造使用寿命短、可堆肥的、一次性使用的产品，这主要是由于政策驱动的要求，以及把“可堆肥”作为一个独一无二的市场卖点来定位。然而，这并不是发展的终点，而仅仅只是发展期间的一个小高潮。

    前景展望

    塑料无疑是强大的，它能帮助我们解决很多问题。在未来的数十年间，它也必须重塑自身。资源和环境方面的问题直接与短寿命的塑料制品相关，塑料的应用已经很广泛，但其回收利用往往很难。这就是为什么塑料产品必须可回收的原因，否则它们会对环境造成许多负担。

    根据艾伦麦克阿瑟基金会的塑料战略，大公司的专家和代表们相信，对于短寿命的塑料产品而言，生物降解是一个正确的解决方案。然而根本问题在于，产品必须利用尽可能少的资源进行生产，并且要设计更多用途。生命周期分析报告显示，回收和使用可再生资源是问题的重点。欧盟议会和欧盟委员会在基础原则下提出了许多方案，但生物塑料的地位并未得以肯定，它是近年来才发展起来的，并且，大批量生产的塑料系统结构也已经构建，这相应地导致了传统塑料生产的惯性。然而，这并不会影响生物塑料行业的发展。一旦市场发展搭建起稳定的基础，生物塑料就会得到政治家、消费者和评论员的充分支持，也能够吸引和留住新的投资者。