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生物塑料:未来的选择?

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碳纤维科技
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华子新材料
发表时间:
2015-01-04

  过去几年,原油价格的增长使公众意识到了石油资源的有限性,并增强了人们保护气候和保持可持续性发展的意愿。在塑料材料中,一类特殊的材料——生物材料引 发了人们的兴趣。作为补充,生物材料可以在某些领域替代传统塑料,对于具有远见的现代塑料工业来说,这似乎是合理且必要的一步。

    如果不事先说明定语“生物”的含义,那么关于生物塑料的优缺点、未来的应用以及市场潜力的讨论都是没有意义的。这是斯图加特大学塑料工程学院的Christian Bonten教授/博士所表达的观点。因为这正是会产生混淆的地方。

生物降解塑料

    除了少量的化学物质,生物降解塑料还包括可生物降解的聚合物和添加剂。当高分子在其他降解机制下完全分解后,特殊的细菌及其酶就将生物塑料转化为生物质、 二氧化碳或甲烷、水和矿物质。欧洲有一种被称为“可堆肥的”塑料,在12周的时间内,这种塑料的90%必须在特定的条件下降解成为尺寸小于2毫米的碎片。 只有这样堆肥设备才能实现经济运转,且不会发生故障。在生物塑料进入土壤之前,还必须证明某些重金属含量没有超标,不会降低土壤肥力。符合欧洲EN 13432标准的产品可标记为“秧苗”,这是欧洲对堆肥能力的认证标志。在美国,也有成熟的堆肥标准,基本上以欧洲标准为基础。

    与普遍的认知相反,生物降解塑料不一定是由可再生资源生产出来的,也可能来自矿物质油。因此,生物可降解性不取决于原材料,而是取决于塑料的化学结构。可 生物降解的聚合物有聚乳酸(PLA)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、纤维素衍生物和淀粉,以及矿物油基的聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)和聚丁二酸丁二醇 酯(PBS)。另一方面,不能生物降解的聚合物包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚酰胺(PA)。

    术语“生物降解”也被用在其他场合。有些传统塑料只含有微量的生物基物质或可降解物质。在适当的条件下,这些物质会分解成小的几乎不可见的成分。然而,它们不会完全代谢,这些碎片会在土壤和食物链中逐渐积累。

    因此,可生物降解的产品事实上并不能解决农村的废物堆积或垃圾问题。即使是生物降解材料也需要在特定的条件——微生物、温度和湿度——下耗费几周的时间才能分解。如果缺少这些条件,塑料就不会分解,因此生物降解可能需要几年的时间。 

丰田Sai混合动力车内饰采用了杜邦™ Sorona®纤维生物基聚合物

生物基塑料

    另一方面,生物基塑料是源于自然界的可再生资源。然而,这些材料也不一定是可生物降解的。形容词“生物基”只是告诉我们,分子链中的碳原子来自今天的自然界,因此是“生物”。

    来自于矿物油、天然气和煤的化石基碳氢化合物也曾经是自然的。它们源自于大约5亿年前的植物和藻类。在缺氧条件下,经过干燥、地质过程和细菌分解,它们被转换成“液体化石”或化石基碳氢化合物。参与这些史前过程的细菌与今天用于生物降解的细菌是不同的。

    矿物油、煤和天然气的燃烧会释放出二氧化碳,5亿年前的植物在自身的生长过程中不断的从大气中吸收二氧化碳。然而,今天大气中的二氧化碳浓度已经过量,并 引发了一些常见的问题。因此,我们必须将来自于过去的“坏的”二氧化碳和当前的“好的”二氧化碳区别开来。在科研和生产过程中,人们越来越有兴趣使用可再 生材料,以便减少化石基碳氢化合物的消耗,从而释放更少的“历史性”的二氧化碳到环境中。

    现在,生物基塑料源自于不同的碳氢化合物,例如糖、淀粉、蛋白质、纤维素、木质素、生物脂肪和石油。生物基聚合物包括聚乳酸(PLA)、多聚羟丁酸 (PHB)、纤维素衍生物(CA、CAB)和淀粉衍生物,以及生物基聚乙烯(PE)。后者完全来自于巴西的甘蔗,与普通聚乙烯具有相同的性能,但不可生物 降解。在一定程度上,生物基但不可生物降解的聚合物起码还包括天然纤维增强的传统塑料、聚酰胺和聚氨酯。

    生物基塑料在改进生命周期的评估方面,无疑会做出有价值的贡献,虽然贡献相对较小。世界上只有少数化石资源被用于塑料的生产。超过三分之二仍然被用于发电和能源的输送。由此可以看出,生物基塑料显然不会导致粮食短缺。

生物塑料的全球产量

    塑料的需求在稳步增长。制造商协会PlasticsEurope预计,2011年全球的聚合物产量为2.8亿吨。其中大约2.35亿吨被用作塑料原料,目前为止,这项调查还没有获得生物塑料的产量数据。

    由于市场的快速增长,欧洲生物塑料协会(European Bioplastics)预测,到2016年,全球的生物塑料产能将达到580万吨左右。德国nova-Institut 公司于2013年3月所做的一份研究报告则更加乐观。根据该公司的估计:到2016年,生物塑料的产能将超过800万吨;到2020年,将达到1200万 吨。

    基于可再生原材料的塑料产量已经有了快速的提升,虽然其总体水平相对于石油基塑料来说还比较低。据制造商协会European Bioplastics报道,2009年,生物降解塑料的产量大约有几十万吨,占生物塑料全球总产能的绝大部分份额。但是自2010年以来,生物基塑料的 增长速度已经远远超过生物降解塑料。据该协会预测,尽管生物降解塑料的产量在不断增长,但到2016年,它们大约只能占到生物塑料总产量的七分之一。生物 塑料中绝大部分将是生物基塑料,而不是生物降解塑料。

图1:2011年生物降解塑料和生物基塑料的产能,及其2016年的产能预测(数据来源:欧洲生物塑料协会、汉诺威大学应用科学和艺术学院、IfBB—生物塑料和生物复合材料学会)

 


图2:2011年不同类型的生物塑料的产能(数据来源:欧洲生物塑料协会、汉诺威大学应用科学和艺术学院、IfBB—生物塑料和生物复合材料学会)

    生物聚合物区域产能的市场份额正在发生转移。生物塑料和生物复合材料研究所(IfBB)指出,2012年,欧洲的产能份额大约为17%,而到2016年, 这一份额将下降大约五个百分点。IfBB预计,亚洲和南美洲将会有较大的增长——南美地区的产能将从2012年的30%左右增长到2016年的45%以 上。

标准的提升——生物塑料也不例外

    随着技术应用的不断发展,塑料必须满足日益提升的标准。生物塑料也不例外。就可重复性而言,它们仍然有提升的空间;就阻隔性能、耐久性以及与其他生物聚合 物和添加剂的兼容性来说,仍然有很多需要改进的地方。生物塑料从第一代性能较差的纯生物聚合物发展至今已经走过了很长的一段路。但最终,生物塑料的长期成 功将取决于价格、生产能力和稳定性。

生物塑料及其当前应用

    生物降解塑料通常被用于特别需要降解性能的应用中。

    生物基塑料现在也被用于家电和汽车领域。塑料在汽车工程领域的份额在过去几十年里一直稳步上升。这一行业所用的生物塑料的比例现在也在增长。例如,仅在日 本有售的丰田Sai混合动力车,到2011年款为止,其内部装饰和设备80%是由可再生原料制成的。它采用的可能是生物基PET,这是一种源自甘蔗的塑 料。这种塑料具有温度稳定性,适用于汽车内饰,还具有低收缩倾向和良好的机械性能。生物基PET的碳足迹据说比矿物油基的传统PET要小得多。但是,源自 大豆的PLA和聚氨酯(PU)泡沫今天也被广泛应用于多种汽车部件中。几乎所有的汽车制造商都在他们的车型中采用生物塑料,并努力增大生物塑料的用量。

    帝斯曼公司宣布其开发的EcoPaXX® 生物基聚酰胺用于大众汽车集团最新研发的柴油发动机上。帝斯曼EcoPaXX®聚酰胺410产品70%的原材料来源于可再生资源。零部件生产商KACO采 用的生产工艺不仅仅只是注塑成型,而且将两个独立的密封单元整合为一体:首先PTFE密封条由机械手放入模具中,以嵌件成型方式将EcoPaXX注塑成 型;随后,将LSR通过双色成型工艺直接成型到整个部件中。这样,生产过程中所需能耗减少,而且实现了废物零排放。最终所获得的曲轴端盖成品要比同类铝制 产品重量更轻,从而保证了车辆能够在整个使用寿命期间保持高效行驶的状态、节约燃油并降低二氧化碳排放量。

 

帝斯曼公司宣布其开发的EcoPaXX® 生物基聚酰胺用于大众汽车集团最新研发的柴油发动机上

    又比如,赢创开发的新型聚酰胺产品VESTAMID® Terra 可由部分或全部基于可再生原材料生产,目前其最主要的原料来自从蓖麻籽中提取的蓖麻油。蓖麻油这是一种保质期长,在全球许多地区都可种植的可再生植物,能 够确保供应的安全性和短途运输,亦对生态友好。此外,由于蓖麻油可以再生,有利于节约石油等自然资源。VESTAMID® Terra系列产品包括PA610,含62%的生物可再生原材料;PA1010和PA1012,含100%的生物可再生原材料。在具有高环保特性的同 时,VESTAMID® Terra 家系列产品很好地保留了聚酰胺的优异的性能,用广泛应用于对耐久性和技术精密性有严苛要求的产品中。例如:Terra HS产品能耐高温,因此非常适用于需耐受高温的零部件,例如汽车发动机盖等。
 

赢创开发的新型聚酰胺产品VESTAMID® Terra 可由部分或全部基于可再生原材料生产,目前其最主要的原料来自从蓖麻籽中提取的蓖麻油。

生物塑料是唯一的好塑料?

    在所有针对生物基和生物降解塑料的积极评价中,人们常常忘记,它们的生产也需要消耗化石燃料——作物的播种、收割、运输和发酵等。因此,考虑产品的整个生 命周期是很有必要的,因为只有这样才有可能进行科学合理的生命周期评估比较,对产品的可持续性做出有理有据的论断。

关于耕种面积竞争的争论

    农业用地是否应该用于食品生产之外的用途是一个颇具争议的问题。在这里,值得再次进行更加仔细的区分。斯图加特大学塑料工程学院的Christian Bonten教授/博士认为,关于糖类用作生物材料会引发食物短缺的担忧是没有事实依据的。“事实上,源于植物的碳资源不能满足世界的能源需求,以及用于 塑料生产的糖类需求量很低,这两种情况不能混为一谈。” Bonten说。据欧洲塑料协会(European Plastics)报道,在欧盟,2011年仅有0.05%的耕地面积用于满足全球生物塑料的总需求。此外,在某些地区,生物塑料的生产有可能采用的是农 业生产中的废弃物。

    为了防止引发中长期的竞争,这一原料的获取途径必须得到进一步的开发。欧洲塑料协会的沟通总监Kristy-Barbara Lange在2012年5月接受杜塞尔多夫展览公司的采访时表达了相似的观点。“生物炼油行业正集中研究和开发利用第二代原材料的途径,例如将谷物秸秆、 玉米秸秆和其他纤维素基材料作为潜在的来源。” Lange继续到,一旦这些可能性成为现实,基于非食品作物的可发酵性糖类将可用于能源、化学品和聚合物的生产。因此,土地是用于食品还是原材料生产的潜 在冲突将会越来越少。

    最后,可以说,没有什么可以阻挡生物塑料(生物基塑料或生物降解塑料)的发展。在许多地区,生物塑料已真正替代传统塑料,那些关于它们(还)不具备竞争力 的观点将难以维持下去。然而,它们不是解决所有环境问题的万能灵药。此外,生物塑料还远远无法实现完全的碳中性,目前它们还处在极早期的不成熟阶段。但它 们确实铺设了一条通往后石油时代的道路。

 

文章来源:网络
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