1、定義及其分類 

     生物可降解塑料是一類通過(guò)自然界存在的微生物如霉菌（真菌）、細(xì)菌和藻類的作用而發(fā)生降解的高分子材料。生物可降解塑料不僅具有優(yōu)良的降解性能且能夠調(diào)節(jié)其化學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可控降解，并且生物可降解塑料擁有良好的生物相容性、熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能等，此外還具有化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，易于儲(chǔ)存和使用等優(yōu)點(diǎn)。

      按照合成的方式與原料來(lái)源的不同， 生物可降解塑料可以分為生物基可降解塑料和石油基可降解塑料。

     已經(jīng)商品化的生物基可降解塑料包括： 聚乳酸（PLA）、再生纖維素、淀粉塑料、聚羥基脂肪酸酯類聚合物（PHAs） 等。PHAs 類生物可降解塑料有聚3-羥基丁酸酯（PHB）、3-羥基丁酸酯和3-羥基戊酸酯的共聚物（PHBV）、以及3-羥基丁酸酯和3-羥基己酸酯的共聚物（PHBH）。

      已經(jīng)商品化的石油基生物可降解塑料包括：聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚己內(nèi)酯（PCL）、聚乙醇酸（PGA）、二氧化碳可降解塑料（一般指二氧化碳和環(huán)氧丙環(huán)的聚合物PPC）， 以及一類共聚酯。

                          常見(jiàn)的可降解材料的種類及其用途

2、生產(chǎn)廠家：

       全球最主要的生物可降解塑料品種是聚乳酸和淀粉基聚合物，分別占生物可降解塑料總消費(fèi)量的41%和38%， PBS 類生物可降解塑料也是規(guī)模較大的一類。

國(guó)外生產(chǎn)廠家：

    美國(guó)的NatureWorks 具有15 萬(wàn)t／a的PLA 生產(chǎn)裝置；意大利的Novamont 擁有12 萬(wàn)t／a 的淀粉塑料生產(chǎn)線；德國(guó)BASF 擁有7.4 萬(wàn)t／a的PBAT 生產(chǎn)線，產(chǎn)品商品名為Ecofle，同時(shí)也生產(chǎn)PBAT與PLA 共混聚合物， 商品名Ecovio；以及寶潔（Procter & Gamble）、杜邦（DuPont）、昭和高分子、三井化學(xué)、三菱化學(xué)等等

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家：

3、生物可降解材料的改性研究

      雖然當(dāng)前的生物可降解塑料種類多樣且用途廣泛，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)其應(yīng)用提出了更高的要求，現(xiàn)有的常規(guī)生物可降解塑料已經(jīng)難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。生物可降解塑料的改性可以在保證使用性能要求的前提下降低其生產(chǎn)成本，此外還可拓寬生物可降解塑料的應(yīng)用范疇，增加生物可降解塑料的附加值獲得具有特殊功能的新型高分子材料。生物可降解塑料的改性涉及面廣、科技含量高，能夠創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益，是當(dāng)前生物可降解塑料研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

      生物可降解塑料的改性主要分為物理改性和化學(xué)改性。

物理改性：

     物理改性主要是指將生物可降解塑料與其他物質(zhì)（如有機(jī)材料、無(wú)機(jī)材料、橡膠品種或其他塑料高分子）進(jìn)行物理?yè)交靵?lái)改善其性能及組分間的相容性以獲得滿足實(shí)際需求的新型材料的方法。主要有共混改性、增強(qiáng)改性以及成核改性等。

     共混改性：生物可降解塑料的共混改性一般都是通過(guò)熱－機(jī)械共混制得的。物理共混物組分之間沒(méi)有化學(xué)鍵連接，各自以微小高分子聚集體形成三維空間連續(xù)網(wǎng)絡(luò)并相互貫穿在一起。

      增強(qiáng)改性：利用添加增強(qiáng)材料和助劑等物質(zhì)與生物可降解塑料混合，減弱分子鏈間的作用力而使可降解塑料達(dá)到揚(yáng)長(zhǎng)避短的方法。

      成核改性：一般是指將成核劑填充到生物可降解塑料中，從而達(dá)到促進(jìn)結(jié)晶以提高材料各項(xiàng)性能的方法。

化學(xué)改性：

       化學(xué)改性是將活性基團(tuán)或單體以共價(jià)鍵的形式與生物可降解塑料結(jié)合，具體可分為共聚改性、擴(kuò)鏈改性、接枝改性和交聯(lián)改性等?；瘜W(xué)改性可以使材料的韌性加強(qiáng)，改善力學(xué)性能和加工性能，同時(shí)也可降低生產(chǎn)成本。

      接枝改性：是指在大分子鏈上通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合適當(dāng)支鏈或功能性側(cè)基以實(shí)現(xiàn)材料改性的方法。

      交聯(lián)改性：是在某種外界因素影響下聚合物大分子鏈產(chǎn)生可反應(yīng)自由基或官能團(tuán)，從而在大分子鏈之間形成新的化學(xué)鍵，使線形結(jié)構(gòu)聚合物形

成不同程度的網(wǎng)狀聚合物的方法。

 4、應(yīng)用

  1、生物醫(yī)用：心臟支架、人造皮膚、手術(shù)縫合線…

2、包裝材料：可降解包裝袋…

3、農(nóng)業(yè)：農(nóng)用薄膜…

下面以聚乳酸（PLA）為例

聚乳酸的制備方式

      聚乳酸（PLA）材料產(chǎn)業(yè)是第一個(gè)形成商業(yè)化規(guī)模的生物降解塑料產(chǎn)業(yè)。不僅去向環(huán)保，這種材料的單體來(lái)源乳酸也非常的綠色——不需要以石油為原料，而由淀粉糖發(fā)酵而成。

      PLA可以通過(guò)乳酸直接縮聚來(lái)得到，但是由于需要在高真空或者高溫的條件下需要將副產(chǎn)物水去除，在工業(yè)上難以完美地解決，以此得到的聚合物分子量較低，造成該種方法已經(jīng)很少使用。

     目前PLA的生產(chǎn)一般采用開(kāi)環(huán)聚合工藝。最早由美國(guó)杜邦公司發(fā)明。在該路線中，乳酸先經(jīng)過(guò)低聚物化與脫水環(huán)化形成內(nèi)酯單體——丙交酯，隨后在開(kāi)環(huán)催化劑下進(jìn)行聚合。這種方法得到的PLA分子量可達(dá)到百萬(wàn)以上，所得材料機(jī)械強(qiáng)度高。

（得到聚乳酸的兩種路線）

▍聚乳酸的性能

      聚乳酸的初始原料是乳酸，而乳酸是一個(gè)典型的擁有手性結(jié)構(gòu)的分子。具有兩種光學(xué)異構(gòu)體：D型與L型。由石油化學(xué)路徑得到的乳酸是外消旋的，而發(fā)酵法得到的乳酸為L(zhǎng)型的。因此，使用不同手性的單體可以得到不同立構(gòu)的PLA。它們?cè)谛再|(zhì)上有著顯著的差別。

（三種不同立構(gòu)的PLA性能對(duì)比）

      可以看到，DL-PLA為無(wú)定型高分子，全規(guī)立構(gòu)的L-PLA和D-PLA為典型的（半）結(jié)晶性高分子，但是這帶來(lái)了性質(zhì)過(guò)于硬脆而不利于加工的缺陷，因此工業(yè)往往并不是使用純立構(gòu)的PLA，而是按不同需要制備兩種單體的共聚物。 PLA是一種較硬的熱塑性塑料，與常見(jiàn)的PET以及PS具有一定的相似性。

（聚乳酸的基本性能與普通塑料對(duì)比）

      當(dāng)然，PLA也有一些顯著的缺點(diǎn)。比如PLA的熱變形溫度較低，這就限制了產(chǎn)品只能在中溫環(huán)境下使用，在電子器件、熱餐容器方面的使用受到限制。

      另外，PLA的氣體穿透性比起PE和PP要高很多，因此PLA不能用于需要長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存的食品的包裝，比如礦泉水、飲料等。

      作為一種可快速降解的材料，其耐久性同時(shí)也是缺點(diǎn)，在沒(méi)有經(jīng)過(guò)改性之前，聚乳酸還不能在高附加值領(lǐng)域電子產(chǎn)品、汽車產(chǎn)品等領(lǐng)域中使用。為了改善這些缺陷，學(xué)術(shù)界與工業(yè)界也投入了大量的力量對(duì)聚乳酸進(jìn)行改性。

▍聚乳酸的生產(chǎn)與應(yīng)用

   PLA已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，但是與傳統(tǒng)塑料相比其產(chǎn)能還非常小，美國(guó)的NatureWorks公司是全球唯一一家產(chǎn)能可以達(dá)到15萬(wàn)噸級(jí)的PLA生產(chǎn)廠商。

（全球聚乳酸主要工廠及其產(chǎn)能）

     PLA是乳酸單體之間通過(guò)酯鍵進(jìn)行連接，因此其降解是通過(guò)酯鍵的斷裂完成的。其廢棄品可在自然條件下迅速降解，并最終降解為二氧化碳與水，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)擔(dān)。

     PLA應(yīng)用：

1 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

2、包裝領(lǐng)域

3、工業(yè)以及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

     總的來(lái)說(shuō)，生物可降解塑料可有效保護(hù)和改善環(huán)境， 極大推動(dòng)環(huán)保事業(yè)的發(fā)展， 解決城市白色污染和殘留地膜污染等問(wèn)題。在當(dāng)前節(jié)能減排的嚴(yán)峻形勢(shì)下， 發(fā)展生物可降解塑料發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。

參考資料

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Brodhagen M , Peyron M , Miles C , et al. Biodegradable plastic agricultural mulches and key features of microbial degradation[J]. Appl Microbiol Biotechnol, 2015, 99(3)

04

知乎:可降解材料；
高分子文獻(xiàn)速遞：聚乳酸：生物降解材料的頭牌，為何如此迷人？