促进生物降解塑料实用化进程的思考

促进生物降解塑料实用化进程的思考(1)1背景进入21世纪以来，全球经济仍继续不断增长，发达国家经济持续、稳步发展，发展中国家的经济则呈快速增长之势。加上全球人口膨胀及对资源的肆意开发，由此使本来已比较短缺的能源更趋紧张，日趋减少的不可再生资源更显贫乏，脆弱的环境问题日加严峻。如何构造一个与资源环境和谐发展、循环经济型、可持续发展的社会是全球各个国家、各个产业部门以及作为社会的一员都必须严肃面对的问题，也是社会发展的主要方向。众所周知，对传统材料而言，塑料是一类新兴材料，其质轻、综合性能好、易加工等诸多优点，已被社会和广大群众青睐，已广泛用于工农业及人们生活各个方面，并在许多应用领域在质和量方面弥补其它传统材料的不足，其在国民经济中发挥着巨大的作用，给人们生活带来的极大方便，已成为无可争辩的事实。但任何事物，均有其两面性，随着塑料材料特别是一次性塑料制品如包装薄膜（袋）、餐饮具、地膜等应用的不断扩大，消费量的不断增多，其废弃物很难收集，又不易在自然环境中降解。由此引发的环境问题已受到社会的倍加责难。国外发达国家的塑料废弃物过去主要与城市固体废弃物（MSW）一起采用填埋和焚烧处理，但这些处理方式也存在许多不足和负面影响；回收利用（包括材料、能量、燃料、肥料等）是解决由MSW造成的环境污染、资源再利用的有效措施，但在现实生活中，并不是所有塑料废弃物都容易或适宜回收利用。而另一方面，20世纪快速发展的塑料材料，其原料均主要来源于石化资源，而石化资源的形成过程需经历千百万年，因此可视为不可再生资源。据资料报导，世界可开采和探明储量的化石燃料资源，如按现在消费水平计算只能再提供50~100年，而据日本资料报导，全世界石油可开采的年限40多年，天然气60多年，虽然还会发现新的矿源，但也必须注意到由于人口的增长以及发展中国家人们生活水平的不断提高，需求会进一步增长，上述开采的年限也将会受到一定影响，而且届时石油燃料的价格必然增长，而石油化工产品的价格也会随之大增，因此对塑料工业发展而言，有限的资源十分令人担忧。目前，欧美发达国家政府和产业界，正着手研究制定利用再生资源补充或替代目前过于依赖的、不可再生而又日益减少并面临枯竭的化石燃料资源的策略。因此从可持续发展的视角，节约能源和资源的替代已成为形势所迫，是一股不可抗拒的潮流，在这样的历史背景下，生物降解塑料（BDP）的研发和加快实用化、产业化进程已成为全球瞩目的热点1。2简况近年来美、日、欧洲等国家十分重视BDP，特别是其原料来自可再生资源或废气综合利用（如CO2）的生物质塑料的发展。据资料报导2，全世界2002年BDP市场规模90~105kt，其中美国50~60kt，德国30~35kt，日本10kt弱。美国NatureWorks（原GargillDow）公司已建成年产140kt以淀粉为原料的聚乳酸（PLA），商品名“NatureWorks”，据称2004年产量达70kt左右，其成本已从原来8000美元/t下降到2000~2500美元/t，该生产线是至今世界上BDP生产规模最大的生产线，其产品除在美国本土加紧应用开发外，主要出口日本、德国等国家，正大力开拓用途。另DuPont（杜邦）公司、EastmanChemical（伊斯特曼）公司开发的化学合成系BDP——脂肪族/芳香族共聚酯，商品名分别为“Biomax”和“EastarBio”，已建成万吨级规模生产线；Dowchemical（道化学）公司开发的聚己内酯（PCL），商品名“TONE”，已建成年产4.5kt生产规模，并均已投入批量生产；其它还有EnvironmentalProducts（环保材料公司）开发的聚乙烯醇（PVA），已建成年产10kt生产规模。欧洲近年来也加紧BDP开发，德国已商品化的产品有BioTec（生物-特可）公司开发的淀粉基塑料，单一或与其它品种BDP混合制造餐饮具、托盘和薄膜，商品名“BioPlast”；BASF（巴斯夫）公司开发的脂肪族/芳香族共聚酯，已建成年产8kt生产规模，商品名“Ecoflex”；Bayer（拜尔）公司研发成功的淀粉/聚氨酯共混型BDP，该技术已在美国、欧洲获得专利权。意大利Novamant（诺曼）公司开发的淀粉/BDP（PCL、PVA、PLA等）塑料合金“Mater-Bi”，是最早投入市场的BDP，已建成年产20kt生产规模。荷兰Rodenburg生物聚合物公司以废弃的马铃薯皮为原料，研发成功的淀粉基塑料“Salanyl”，已建成年产千吨级试验规模工厂，并已批量生产。日本是BDP研发和应用开发最为活跃的国家之一，特别是在应用技术开发方面投入相当大的人力、财力、物力，并已在包装和非包装领域取得可喜的进展。日本开发的主要特点是除在其国内加强具有自主知识产权产品的研发外，相当大的力量是与国外已工业规模生产的公司合作，根据不同特性和市场需求，进口已商品化的产品，加强市场开发和市场培育，从而大大缩短了商品化进程。目前已进入实用化的产品有昭和高分子公司、三菱化学/味素公司分别建成的年产3kt的脂肪族聚酯（PBS）“ビオノーレ”和“GS-Pla”；ダィセル化学工业公司年产1kt的PCL及其共聚酯“セルダリーンPH”和“セルダリーンGBS”；クラレ可尔而、日本合成化学工业、アィセロ化学公司已工业规模生产的PVA，商品名分别为“ボバール”、“ゴーセノール”、“ドロンVA”等（详见表1）。我国近两年来BDP正掀起新的研发热潮，并取得了可喜进展。已批量生产或正在进入中试规模的品种有聚羟基脂肪酸酯（PHA：PHB、PHBV、PHBHHX等）、PLA、PBS、改性PVA、二氧化碳共聚物（亦称脂肪族聚碳酸酯、APC）、淀粉基塑料等，其中APC是我国具自主产权，技术水平已列世界前茅的生物质塑料，主要研发单位有中科院长春应化所和广州化学所，内蒙古蒙西高科技材料股份有限公司采用长春所的技术成果和专利技术建设了年产3kt的二氧化碳/环氧丙烷共聚物（PPC）生产线，江苏金龙绿色化学有限公司利用广州化学所的专利技术建设了年产2kt的二氧化碳/环氧乙烷共聚物（PEC）及以其为基料的聚氨酯泡沫塑料，目前正大力对APC进行改性和产品应用开发。PHA是我国研发较早、投入力量较大的品种之一，主要研发单位有清华大学、中科院微生物所、宁波天安生物材料有限公司（已建成年产1kt中试规模生产线）、天津国韵生物科技有限公司、江苏南大集团、汕头联亿生物工程有限公司等。PLA主要研发单位有中科院长春应化所、上海同济大学，上海微生物所、浙江台州海正集团有限公司（正在建设年产5kt生产线）。PBS主要研究单位有中科院理化所、海尔科化工程塑料国家工程研究中心股份有限公司，正在进行和小批量试产，并积极开拓用途、中试规模试验。改性PVA及生产薄膜技术主要开发单位有北京工商大学（干法），其技术成果已转让至山东烟台阳信塑料有限公司，正在建设一条年产1kt生产线；株洲工学院和广东肇庆合作开发的PVA湿法流延膜生产线，已批量生产；北京基隆天创科技开发公司、北京丰阳塑机公司和河北雄县特立塑胶薄膜厂除共同开发PVA改性及干法吹膜技术外，还开发了淀粉/PVA合金技术，计划将在北京大兴工业园区建成年产5kt（10条生产线）生产规模，其厂区建设及第一条0.5kt示范生产线将于2005年6月中建设完成；中科院兰州化物所、广东肇庆华芳降解塑料有限公司开发的淀粉/PVA合金及干法吹膜技术也已建成年产1kt生产线，并正扩建3kt生产线和开拓应用中。淀粉基BDP主要研发单位有广东三九苏石生物降解材料有限公司，淀粉发泡缓冲包装材料淀粉/PCL、PLA共混粒料已批量生产，并出口日本、韩国等国家。3特点BDP的研发历史已不算太短，但由于其技术的复杂性、涉及学科多、其用后回归自然也受到一定的环境制约，而更主要的是其应用、加工性能还存在一些不足和价格高昂等，因此较长时间以来一直停滞在研发、小试、中试阶段。进入21世纪以来，鉴于资源、环境的压力，而且从美国PLA年产140kt生产规模的建成，性能的不断改进，成本大幅度降低，并通过了可生物、可堆肥化的认证，由此给广大研发者看到了希望，增强了信心，更激发了开发和产业化的热潮，概括近年来推动BDP快速发展的几个主要特点：3.1资源、环境压力，政府热情关注和扶植BDP研发初衷主要在于治理环境问题。随着经济的发展和人民生活水平的不断提高，塑料特别是一次性塑料包装材料、日用品和地膜废弃物对环境的污染日益加重。另一方面，近年来，石油价格猛长，全球塑料工业界更感日益减少的石油资源对其持续发展所产生的威胁，而塑料材料又已渗透到国民经济的各个领域，几十年应用实践证明，国民经济各部门的技术进步以及人民生活离不开塑料材料，因此如何减少对石油资源的依存是塑料工业乃至全球经济可持续发展的关键，从而对BDP，尤其对来自天然资源的生物质塑料的开发受到了极大的关注。2003年在日本召开的1stIUPAC生物质塑料国际研讨会上对生物质聚合物进行了明确的定义，它除了具有优异的生物降解性能外，其主要特点是原料来自可再生资源（如淀粉、桔扩），可变废为宝的二氧化碳以及生物聚合物（如核酸、多糖等）。从可持续发展的视角，生物质塑料不仅可以治理和抑制环境污染，而且对有限的石油资源又是一个补充，从而可满足塑料工业可持续发展的要求，适应市场不断增长的需求。基于生物质塑料对资源、能源和环境等方面的重要意义，目前许多国家的政府对其发展予以热情关注和政策扶植，欧美国家政府正着手研究制定利用再生资源补充替代石化燃料资源的策略，如美国制订的可再生资源开发和利用的战略设想目标中，2020年化学基础产品中至少有10%来自植物/农作物基为原料的可再生资源，2050年将提高到50%4，而且提出无论采用何种技术，凡将现用资源转化为可再生资源，都符合可持续发展方向，也适应环境生态要求。又美国为奖励再生资源的利用，从1996年起设置美国总统绿色化学挑战奖，美国能源部也设立奖金予以鼓励。美国原GargillDow公司2002年建成年产140kt以玉米淀粉为原料的PLA项目后，荣获2002年美国总统绿色化学挑战奖，2003年该公司使用再生资源通过生物工程研制PLA的项目，又获能源部200万奖金奖励。另有200万美元奖励采用谷物、纤维素、桔杆等发酵研制PLA及其它产品。美国Melabolix公司研发的以淀粉水解糖为原料的PHA“Biopol”也曾获能源部开发奖金740万美元。21世纪以来，随着资源环境问题的深入及关注，2002年底日本总理大臣受理了经济产业省提出的生物技术（BT）战略大纲和标准化战略，内阁议会通过了农林水产省提出的生物质·日本（BN）综合战略。战略大纲中对与生物技术有关的产品，从原材料的制造到制品的废弃、进一步再循环（再资源化）达到回收再利用；对资源环境的负荷、循环型体系的影响，对生态体系的影响等方面积极进行研讨评价；并决定制定积极综合利用农林水产业废弃物及食品废弃物生产能量与生物降解材料、饲料、肥料等的有关研究计划和政策。2003年经济产业省根据BT战略大纲提出实现环境调和型工业的绿色生物方案的构想及进一步开发节省资源、节约能量的生产方法。农林水产省、经济产业省对BT积极予以关注和参与，促进塑料原材料从面临枯竭的石化资源向可再生资源替代政策的实施，生物技术和生物质塑料的研发十分活跃，绿色塑料作为循环型社会的基础材料得以稳步发展3。3.2加强应用开发和市场培育目前世界上BDP如PLA、PCL、PBS和PVA和淀粉基塑料等虽都有了工业化规模生产，而且有些已达万吨级、10万吨级规模，但由于应用开发和市场培育不力，加上价格过高，因此难于被市场认可，实用化进程受阻，产能不能充分发挥。为了扭转这种不良局面，近年来，欧美日等国家加强了应用开发和大力培育市场，以加速产业化、实用化进程。3.2.1加强应用开发在加强应用开发方面日本进行了大量工作，目前从事成型加工技术和应用开发的企业数倍于绿色塑料开发企业。如日本三菱树脂公司进口美国PLA树脂研制薄膜，商品名“エコロージユ”。研制的薄膜有双向拉伸薄膜、流延薄膜和收缩薄膜，具持久