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生物塑料将会带来无限商机

时间: 2011-06-26 21:17 来源: 作者: 深圳市群达精密模具有限公司 楚念良点击:
制品在给人类带来各种方便的同时,也给人们带来难以想象的麻烦。由于有些废弃塑料在自然条件下不会降解,燃烧又会释放出有害气体,给生态环境造成了难以治理的污染。因此各国科学家开始研制可以自行分解的自毁或自溶塑料以解决这个问题。有人把它称作“绿色塑料”或“生物塑料”,同时这场产业革命也带来无限商机。

生物塑料的发展现状

目前,美国、英国、德国、日本等国的20多家公司推出了生物塑料。美国密茨根大学生物学家提出了“种植”可分解塑料的设想,他们用土豆和玉米为原料,植入塑料的遗传基因,使它们能在人工控制下生长出不含有害成分的生物塑料。美国帝国化学工业公司利用细菌将糖和有机酸制造成可生物降解的塑料。其方法与生产出乙醇的发酵工艺相似,所不同的是,用的细菌是产碱杆菌属,能把喂食的物质转变成一种塑料,称为PHBV。这种细菌积累塑料作为能量储存,就像人类和动物积存脂肪一样。当细菌积存的PHBV达到它们体重的80%时,就用蒸气把这些细胞冲破,把塑料收集起来。PHBV具有与聚丙烯相似的性质,这种材料在废弃后,即使在潮湿的环境下也是稳定的,但在有微生物的情况下,它将降解为二氧化碳和水。

谷物生产聚合物的制造商Cereplast公司在2006年3月初召开的美国谷物培育者协会年会上称,生物聚合物的价格水平现已可与以石油为原料的塑料竞争。美国技术的进步使这一工艺技术可在较低的温度下与聚合物加工优势结合在一起。这表明,世界上由生物制造的塑料取得很大进展,其价格已与传统的石油制造的塑料相似。

德国哥廷根大学微生物学家通过对一种细菌的特定基因隔离,使植物的细胞内部生成聚酯,利用这类聚酯,可制成植物型生化塑料。这类塑料在细菌作用下,分解成水和二氧化碳,因此这种塑料垃圾可作为植物肥料而回归大自然。日本工业技术研究院的科技人员用农林作物下脚料,如豆秸等制成可分解农用薄膜。另有一些科学家正在实验在塑料中添加淀粉类物质,这样以淀粉为食料的细菌则吞噬之,从而使其慢慢消失掉。

据统计,全球生物聚合物生产能力显著增长,2005年己达到约29万吨/年。在欧洲,消费量己从2001年2万吨增加到2005年8万吨,到2015年,消费量将增加到约100万吨。另外,欧盟使用生物聚合物的长期替代潜力估计将提高到1500万吨,生产能力可望达到现有塑料生产量的约1/3。据预测,到2010年,生物降解塑料需求的年增长率超过20%。

主要品种介绍

现在,已有基于不同原材料的许多类型生物聚合物,并且新产品和工艺不断涌现。现简介以下几类:

聚乳酸(PLA)

卡吉尔(Cargill)•陶氏聚合物公司在美国内布拉斯加州布莱尔(Blair)兴建的14万吨/年生物法聚乳酸装置于2001年11月投产。这套装置以玉米等谷物为原料,通过发酵得到乳酸,再以乳酸为原料聚合,生产可生物降解塑料 — 聚乳酸。这是目前世界上生产规模最大的一套可生物降解塑料装置。卡吉尔•陶氏聚合物公司计划投资17.5亿美元扩大该产品的生产能力,预计在10年后生产能力将达到100万吨。

日本市售的手机已采用由谷物衍生的聚合物制作外壳。其手机外壳采用由kenaf纤维增强的聚乳酸(PLA)树脂替代了由石油制造的塑料。

通过添加生物质基增塑剂和填充剂提高了抗冲击性能。据称,手机外壳约90%都可由生物质来制造。

聚羟基烷基酸酯

生物法合成新型高分子材料生物聚酯已经成为一个新材料生产、开发和应用的方向,该领域的研究充分体现了多领域、跨行业的现代科技产业特点,生物聚酯将在人类的环境保护、医药保健等方面发挥重要作用。生物可降解塑料以可再生的原材料为原料,可望在许多应用中替代传统聚合物。但是因生产费用较高,和受到性能与可加工性的限制,发展还较慢。然而,美国Metabolix公司推出聚羟基烷基酸酯(PHA)生物聚合物家族可望与现有产品,尤其是PE在价格和性能上相竞争,并可望最终替代50%的传统塑料。

聚羟基烷基酸酯(PHA)是近20年来迅速发展起来的生物高分子材料,已经成为近年生物材料领域最为活跃的研究热点。这种天然高分子材料是由很多微生物合成的一种细胞内聚酯,其结构多元化带来了性能多样化。由于PHA兼具良好的生物相容性、生物可降解性和塑料的热加工性能,因此可作为生物医用材料和可降解包装材料。对PHA研究获得的信息证明,生物合成新材料的能力几乎是无限的,今后将有更多的PHA被合成出来,并带动生物材料特别是生物医学材料的发展。由于PHA还具有非线性光学活性、压电性、气体阻隔性等许多高附加值性能,使其除了在医用生物材料领域之外,还可在包装材料、粘合材料、喷涂材料和衣料、器具类材料、电子产品、耐用消费品、化学介质和溶剂等领域得到广泛应用。

PHA家族的主要优点是可采用生物技术生产工艺,产品性能适用面宽,可从这类聚合物生产硬性塑料、可模塑薄膜,甚至制成弹性体。吹塑和纤维级产品也在开发之中。这类聚合物甚至在热水中也很稳定,但在水中、土壤中和二者兼具的环境中,甚至在厌氧条件下,也可生物降解。将其用于网织品或用作涂层处理的纸杯和纸板具有吸引力,在医疗上的应用如植入也有应用潜力。

ADM(ArcherDanielsMidland)和Metabolix公司组建各持股50%的合资企业,将在澜ㄉ璐幼魑锷埕腔榛狨(PHA)塑料的装置,该装置将位于ADM在北美的一个主要生产地。擅长于农业加工和发酵技术的ADM公司称,这将是第一套工业化PHA装置,初期能力将为5万吨/年,定于2008年中期建成。该装置将服务于由ADM公司和美国从事生物技术的Metabolix公司创建的合资企业。PHA塑料的应用包括纸的涂层、薄膜和模塑的商品。ADM称,世界对石油的需求在持续增长,这套装置是推进再可生塑料生产,替代传统的从石油生产塑料的重要步骤。

聚丁二酸丁二醇酯

聚丁二酸丁二醇酯(PBS)是生物降解塑料材料中的佼佼者,用途极为广泛,可用于包装、餐具、化妆品瓶及药品瓶、一次性医疗用品(图2)、农用薄膜、农药及化肥缓释材料、生物医用高分子材料等领域。PBS综合性能优异,性价比合理,具有良好的应用推广前景。和PCL、PHB、PHA等降解塑料相比,PBS价格极低廉,成本仅为前者的1/3甚至更低;与其他生物降解塑料相比,PBS力学性能优异,接近PP和ABS塑料;耐热性能好,热变形温度接近100℃,改性后使用温度可超过100℃,可用于制备冷热饮包装和餐盒,克服了其他生物降解塑料耐热温度低的缺点;加工性能非常好,可在现有塑料加工通用设备上进行各类成型加工,是目前降解塑料加工性能最好的。PBS还可以共混大量碳酸钙、淀粉等填充物,得到价格低廉的制品,PBS生产可通过对现有通用聚酯生产设备略作改造进行,目前国内聚酯设备产能严重过剩,改造生产PBS为过剩聚酯设备提供了新的机遇。另外,PBS只有在堆肥、水体等接触特定微生物条件下才发生降解,在正常储存和使用过程中性能非常稳定。PBS以脂肪族二元酸、二元醇为主要原料,既可以通过石油化工产品满足需求,也可通过纤维素、奶业副产物、葡萄糖、果糖、乳糖等自然界可再生农作物产物,经生物发酵途径生产,从而实现来自自然、回归自然的绿色循环生产。而且其采用生物发酵工艺生产的原料,还可大幅降低原料成本,从而进一步降低PBS成本。

其他生物降解材料

杜邦公司和Tate&Lyle公司联合开发了专有的发酵和提纯工艺生产基于生物的1,3-丙二醇(PDO)。基于生物的1,3-丙二醇(PDO)将由杜邦公司生产,因此杜邦将投资1亿美元在美国田纳西州Loudon建设装置,生产的PDO用于生产新型聚酯树脂 (聚对苯二甲酸丙二醇酯PTT),商品名称为Sorona。到2010年杜邦采用生物基资源生产这种产品至少占到25%。

德国Munster大学和McGill大学开发了生物途径生产新一代生物降解聚合物聚硫酯的技术,这种生物降解聚合物比生物技术得到的聚合物聚羰基酯Biopol(主要用于医药)性能又有改进。聚硫酯利用EscherichiaColi细菌将巯基烷基酸转化而成。

夏威夷大学的夏威夷天然能源学院开发了从食品废料制造可生物降解聚合物聚羟丁酸酯(PH)工艺。新方法与ICI工艺相比,因原材料费用微不足道而大大廉价,ICI工艺过程需从纯糖类和有机酸才能制取相关聚合物。新工艺采用厌氧细菌分解食品废物,释放出乳酸和丁酸作为副产物,这些酸类从浆液中取出,并在含有磷酸盐和硫酸盐的营养液中通过硅酮膜扩散进入含Ralstoniaeutropha细菌的充气悬浮体中,这些细菌将酸转化为聚合物,包括PHB(PHB用离心分离得到)。如扩散膜由硅酮改为聚酯,被细菌转化的酸的比例就可调节,可产生较粘稠的可生物降解的聚合物聚3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯(PHBV)。采用该工艺,每100kg食品浆液可制取22kg聚合物。已有几家公司拟采用该工艺,包括亚洲废物管理公司。

美国农业部ARS环境质量实验室的研究人员开发了一种由柠檬酸(一种农产品)和丙三醇(生物柴油生产的副产物)制备的生物降解聚合物。这种聚酯类聚合物的粘度可从似的稠度到可缓慢溶化的玻璃状产品。这种新型材料可为生物柴油工业副产品的丙三醇提供新的用途。

美国加州大学的化学家推出从碳水化合物和肽合成生物材料的设计新概念。这种设计概念采用单元组合途径构筑糖类-肽混合共聚物,作为高功能生物材料。ZhibinGuan领导的小组己从自然界存在最多的基块—糖和肽获取了这类材料。这种糖类-肽混合共聚物具有生物降解性。罗纳-普朗克(Rhone-Poulenc)公司发现了聚酰胺水解酶,可水解聚酰胺低聚物,可消化尼龙废料,为生物法回收尼龙废料打开了大门。

生物塑料在医学领域的应用

生物塑料在医疗上用途颇广。在骨折手术中,它可以充当骨骼间的承托物,随着骨骼的愈合,它也会逐渐自行分解。医治破碎性骨折,医生通常使用制做的螺母螺钉、夹板和钻孔器,把碎骨固定起来。这种方法的缺点是要做两次手术,一次是植入这些不锈钢材料,一次是再把它们取出来。荷兰科学家发明一种塑料,植入体内大约两年便自行分解,变成二氧化碳和水。

还有一种线状生物自毁塑料,可以代替传统的医用外科手术线缝合伤口。这种塑料手术线,可被身体逐渐吸收,免除拆线之痛苦。此外,用生物自毁塑料制成的药用胶囊,在体内会慢慢溶解,并且可控制药物进入血管的速度。

总之, 随着地球上各种资源的减少、生存环境的日益恶化,发展绿色环保型生物塑料已经是大势所趋。随着人类对生存环境的日益关注,必将有力推动生物塑料的发展。相信行业有发展眼光的人士,会从中发掘蕴藏的无限商机。 (end)

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