生物降解包装塑料制品技术的研究进展和行业现状

来源：塑胶五金网发布时间：2008-01-02 14:05:35点击率：

　　随着包装材料的大量使用，一些废弃包装材料的处理是目前需要解决的难题。通常对废弃包装材料的处理主要有填埋、焚烧和回收再利用等3种方法。填埋法不但对土地造成污染，而且浪费了大量的土地；焚烧法释放大量有毒气体，对大气造成污染；回收再利用法收集、分拣麻烦，实际应用困难。因此，开发合适的包装材料方法是十分必要的。

　　生物降解法是一种很好解决废弃包装材料的新方法。它具有储存运输方便、应用范围广等特点，在生物降解包装材料中，生物降解包装塑料是一种常见的包装材料。

　　1生物降解塑料及其分类

　　生物降解塑料是指当存在水和营养成分的条件下，可以被微生物降解的塑料。生物降解塑料根据其机理和破坏形式，分为完全生物降解和生物破坏性降解两类。

　　1. 1完全生物降解塑料

　　完全生物降解塑料是指其分子结构可以被微生物或酶完全分解成简单化合物的塑料材料。这类材料目前主要有天然高分子型、人工合成型、微生物合成型和植物转基因型材料。

　　1. 2生物破坏性降解塑料

　　生物破坏性降解塑料主要是天然高分子与合成高分子复合而成的降解塑料。目前，有望在包装领域中得到应用的复合方法仍以共混为主，其基材也是淀粉和纤维素等。

　　2生物降解包装材料的降解机理

　　2. 1完全生物降解机理

　　完全生物降解其机理是生物降解材料在自然界微生物，如细菌、霉菌和藻类的作用下，可完全分解为CO2、H2O或氨等低分子化合物。它具有储存运输方便、应用范围广等特点。其降解过程大致有3种作用方式。

　　1)生物的物理作用由于生物细胞的增长而使物质发生机械性破坏；

　　2)生物的化学作用微生物对聚合物的作用而产生新的质；

　　3)酶的直接作用微生物侵蚀导致部分材料分裂或氧化裂解。

　　2. 2生物破坏性降解机理

　　是指利用天然聚合物(淀粉、纤维素等)的微生物可降解性，采用合成塑料改性(共聚)，克服天然聚合物的强度差的缺点，得到可生物降解的塑料。

　　3生物降解包装塑料研究

　　生物降解包装塑料可在短时间内，在自然环境条件下即能分解的可降解的包装塑料，它是替代目前的常规塑料，解决“白色污染”的新方法，也是国内外学者研究的热点。

　　生物降解材料的研究国内外已有研究报道。生物降解包装塑料有淀粉基生物降解塑料、微生物发酵合成生物降解材料、纤维素基完全生物降解塑料、光/生物降解塑料和人工合成生物降解材料等。

　　3. 1淀粉基生物降解塑料

　　有关淀粉基生物降解塑料已有研究报道。滕立军等以淀粉-聚乙烯生物降解膜和通用塑料膜聚乙烯(PE)、聚丙烯(CPP)为试材，从物理性能、力学性能方面进行了研究。研究表明：试验所用降解材料在20～30d内的降解率大于20%；吸水率、渗透性高于通用薄膜PP、CPP；力学性能指标能满足使用要求。同时，分析了生物降解薄膜在包装领域的应用前景。淀粉塑料泛指其组成中含有淀粉或其衍生物的塑料，以天然淀粉为填充剂和以天然淀粉或其衍生物共混体系为主要组成的塑料都属于此类，其中淀粉比例可高达60%。淀粉基塑料是降解塑料中的一大类。

　　因原淀粉与PE、苯乙烯(PS)等通用型塑料相容性较差，常需引入乙烯醋酸乙烯等相容剂制备共混物。国外，尤其是意大利、美国和日本对淀粉基聚乙烯醇塑料的研究方兴未艾，在技术上各有特色，并达到了一定的高度，其制品的生产形成了一定的规模和影响，美国对淀粉进行改性，制成高淀粉含量(90%以上)的生物降解塑料，它为不透明灰色树脂，熔点约为175～200℃，用双螺杆挤出机于130℃下挤出造粒，以水作为增塑剂成型加工，其注塑品性能与PS相似，但拉伸强度优于PS，在需氧和厌氧条件下均易生物降解，适用于快餐包装材料等。国外已批量生产共混型淀粉基塑料，而且也有利用糊化淀粉和PVA共混研制生产降解塑料。近年来，国外又开发出一种新型淀粉复合材料，由于不包含非降解大分子或小分子组分，所以在环境中可完全生物降解，可用于一次性塑料制品。

　　淀粉基塑料之所以易降解，主要原因是制品中淀粉成分分解后，制品表面直至内部出现了众多微孔，增大了化学的、生物的和其它侵蚀作用的表面积，加快了残余部分的降解。其中淀粉含量越高，生物降解速度就越快。

　　3. 2微生物发酵合成生物降解塑料

　　以蜜糖、油脂为原料制得的生物降解包装材料，既具有热塑加工性，又具有完全生物降解性。其主要产品有英国ICI公司的3-羟基丁酯和3-羟基戊酯(0%～30%)的共聚酯“Biopol”、日本东京工业大学资源研究所开发的聚羟基丁酸酯(PHB)以及美国麻省理工学院(MTI)开发的脂肪族共聚酯等。其中取得较大进展的是“Biopol”，它是英国ICI公司于1976年开始研究，利用微生物淀粉发酵制得的，于1990年开始工业化。该产品热分解温度为200℃，在堆肥场地中1年可完全分解，无二次公害。另外PHB是细菌体内为应付食物紧张而储存原料的物质，可被许多细菌激活，导致快速降解，这方面的研究有很大发展前途。

　　3. 3人工合成生物降解塑料

　　利用化学合成法制造生物降解包装材料较微生物合成法具有较大的灵活性，产品容易控制。研究开发工作是合成具有类似于天然高分子结构的物质或含有容易生物降解官能团的聚合物。目前的主要产品有聚乳酸(PLA)和聚已内酯(PCL)等PLA是一种聚羟基酸，它作为一种生物原制品，具有很好的生物降解性能，且具有良好的生物相溶性和生物可吸收性[11]，在降解后不会遗留任何环保问题。其生产厂家主要有日本的岛津制作所和三井东亚化学公司、美国的Cargill公司和Ecochem公司等。1998年，德国的Danone和CargillDow公司合作，采用聚乳酸为原料，开发出快速降解型DANONE酸奶杯。日本钟纺合纤公司以从玉米中提取的聚乳酸为原料，制造出了生物降解型发泡塑料。这种材料的一些物理和化学性质与聚苯乙烯相同，因此现有的塑料发泡材料设备仍可对其进行加工PCL是由E-己内酯在催化剂作用下开链聚合而形成的，在泥土中会慢慢分解，一年可分解去95%。

　　降解塑料是解决塑料包装一次性制品环境污染问题的有效途径之一，可谓之绿色塑料包装材料。近年来产业化进程迅速，据报道，美国2000年降解高分子材料的应用可达到100万吨；欧洲每年也以40～50万吨的速度增加；我国降解塑料的开发及生产也已形成热点，部分品种已走进市场，前景方兴未艾。

　　目前，已产业化的降解塑料品种有光降解、光生物降解、生物降解、转基因生物降解等。其中光降解技术虽较成熟，但其降解行为的环境影响因素十分复杂，限制了它在包装领域中的应用。

　　3. 4纤维素基完全生物降解塑料

　　天然高分子纤维素与淀粉一样，非热塑性材料，不能用常规加工方法加工。采用共混或化学改性方法破坏纤维素的氢键，使纤维素分子上的羟基发生反应，得到纤维素的衍生物，再与未经改性的纤维素或原淀粉等共混，制得性能各异的降解塑料，加工成力学性能好、生产成本低、降解速度快的各种制品或膜材。有人研究发现采用30%～85%可降解纤维素衍生物与30%～70%未改性纤维素或原淀粉共混制成的降解塑料，可用注塑和流延等成型手段，制成各种制品或膜材，其性能、降解速度、生产成本均有在包装领域中推广应用的潜力，可用于食品、日用品的包装。

　　3. 5光/生物降解塑料

　　在生物降解塑料中，材料的降解行为必须在具有生物活性的环境介质中才能进行。添加适量的光敏剂，可以使塑料同时具有光和生物双重降解性能，在一定条件下，明显提高了降解速度的可控性。因此，光生物降解塑料的开发受到国内外普遍关注。已成为降解塑料的重要研究开发方向之一。近年来，在降解速度、降解的控制、降解的完全性、降解产物的环境安全性及降解材料的评价方法等方面都广泛地进行了研究，并取得一定突破，这类材料在包装领域应用将具有广阔的发展前景。

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