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可降解塑料种类繁多,各种物质性能和特点均有优劣,考虑到塑料应用范围广,需在多场合能够经久耐用,因此不是 所有的可降解塑料都可以大范围推广。我们比较不同的可降解塑料的优劣特点和主要用途如下:
可降解塑料受“限塑令”鼓励,市场空间巨大。2020 年,全球生物降解塑料的产能约为 122.7 万吨/年,生产装置主 要集中在亚洲、南美、北美。从可降解塑料产品种类来看,PLA 和 PBS/PBAT 是目前市面上主流的生物降解材料, 根据智研咨询数据,近三年来,淀粉基塑料占比高达 38%,使用量大,其次分别为 PBAT(25%)和 PLA(24%)。近年来,随着国内禁限塑政策逐步落地,可降解塑料市场需求增速不断升高。过去 5 年我国生物降解塑料消费量平均 增速在 20%左右,2019 年,国内生物降解塑料消费量由于受产量限制,基本与产量保持一致,消费量约为 26 万t。在政策的强驱动下,未来可降解塑料市场需求可能出现较大的增长,特别是快递包装和外卖、酒店等行业对一次性可 降解塑料制品需求旺盛。按当前增速,预计到 2024 年,我国生物降解塑料需求量将超过 200 万t。考虑 2019 年以 来国内“限塑”政策密集出台,并逐步落地,可降解塑料市场需求增速将进一步升高,2024 年有望突破四百万吨,可降 解塑料迎来了新的发展机遇。
(1)PLA:前景大的生物基降解塑料
PLA(聚乳酸)是一种新型的降解材料,可以通过从可再生植物中提取淀粉,再经过生物发酵制得乳酸,后经过化 学合成制备。PLA 具有很好的可降解性,后能被微生物完全降解,由 PLA 制成的产品在使用后可完全降解成 CO2 和水,同时无毒、无刺激性,是被广泛认可的环境友好材料。PLA 具有与聚丙烯相似的力学性能,同时其光泽度、清 晰度和加工性与聚苯乙烯相似,加工温度比聚烯烃低,可以通过注塑、挤出、吸塑、吹塑、纺丝等通用塑料的加工方 法加工成各种包装材料、纤维和非织造物等,广泛应用于工业、农业、医疗和民用等领域。
PLA 的制成方法总体可分为直接缩聚法和开环聚合法(丙交酯法)。直接缩聚法又称 PC 法或一步法,是在脱水基存 在的环境下,利用乳酸的活性,脱去羧基和羟基,使乳酸分子之间缩聚形成低分子聚合物,然后分子间利用高温脱水 直接缩合而成 PLA,之一过程常采用熔融聚合法、溶液聚合法和熔融—固相聚合法,其中熔融聚合法为广泛。开环 聚合法也叫 ROP 法,即先将乳酸单体经过脱水环化合成丙交酯,之后将重结晶的丙交酯聚合方应得到 PLA,该法可 以得到分子质量极高的 PLA,一般为 70 万-100 万左右(低分子量 PLA 可以迅速降解,有利于药物释放,适用于医 学领域;高分子量的 PLA 则在纤维、纺织、塑料和包装行业具有重要的商业价值),因此是目前工业上主要使用的聚 乳酸合成工艺。
丙交酯生产工艺要求极高,主要是因为提纯较难,我国生产规模较小。目前,我国还未有规模较大生产聚乳酸的产能, 主要是因为从乳酸到丙交酯生产工艺要求较高。乳酸由于手性结构的原因存在 L-乳酸和 D-乳酸两种旋光异构体。因 此发生缩聚反应后会产生四种聚乳酸聚合物,分别是 L-聚乳酸、D-聚乳酸、DL-聚乳酸、meso-聚乳酸。不同种类聚乳酸含量会导致 PLA 产品性能、特点有所差异,目前国外普遍采用 L-乳酸为原料合成丙交酯进一步生产 L-型聚乳酸, 产品相对分子质量较高。而国内多是以 D-型乳酸和 L-型乳酸混合物为原料,合成的丙交酯中会含有 meso-丙交酯, 这种内消旋丙交酯在生产过程中极难提纯,导致产率很低,大大提高丙交酯生产成本。
目前全球 PLA 产能为 65.35 万吨左右,主要 PLA 生产企业主要集中在美国、中国、泰国、日本等国家。美国 NatureWorks 是全球大的 PLA 生产企业,年产能达 18 万吨,占全球 PLA 产能 30%左右。我国 PLA 生产起步相对 较晚,主要的丙交酯原料主要依赖进口。部分 PLA 装置由于技术原因或原料丙交酯缺乏,无法稳定运行或处于关停 状态,实际有效产能约为 4.8 万吨/年,产量约 1.8 万吨/年。主要生产企业有浙江海正生物、安徽丰原集团、河南金 丹科技等。在建 PLA 项目产能约为 30 万吨/年,远期规划产能约为 200 万吨/年。随着我国金丹科技、丰原集团等依 托在生物发酵领域的技术积累成功生产出合格的丙交酯原料,为我国以后 PLA 产能快速扩张提供了可能。
PLA 的应用范围极为广泛,已经在塑料包装、生物医药以及纺织纤维等领域得到成功应用。PLA 的无害特性使得它 能在包装领域具有广泛的应用前景,主要可用作食品包装、制品包装和农业地膜等。PLA 表面光滑、透明性较好、阻 隔性能优异,在很多地方可以完全代替 PS(聚苯乙烯)和 PET(聚对苯二甲酸乙二酯),从而降低塑料污染问题。PLA 降解纤维集降解性、导湿性、阻燃性于一身,同时兼有成型、应用及降解性,在纺织纤维领域应用广泛。同时, PLA 具有优越的生物相容性及良好的物理性能,其降解后生成二氧化碳和水,对人体无害且能自然降解,因此越来越 多地应用在生物医学领域,例如组织巩固(如骨螺丝钉,固定板和栓)、伤口包扎(如人造皮肤)、药物传送(如扩 散控制)以及伤口闭合(如应用缝合线)等多种用途。
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