生物降解包装材料的现状与发展

生物降解塑料的现状与发展报告内容•生物降解塑料的研究背景•生物降解塑料概念解析•生物降解塑料的主要品种•典型生物降解塑料的性能•生物降解塑料的应用•生物降解塑料的现状•生物降解塑料的发展生物降解塑料的研究背景近几十年来，人类大肆开采并过度消耗石油等短期内不可再生的资源，使全球的石油资源供给日趋紧张，价格波动幅度很大，同时使以石油为原料的通用塑料价格波动也很大。塑料已逐步成为我们生活中不可或缺的材料，并在以每年9.9%的生产速度增长，而由此所导致的“白色污染”问题也日益严重，从而在世界范围内引发了人们对“能源问题”和“环境问题”的深刻反思。生物降解塑料的研究背景生物降解塑料的研究背景因此，人们开始寻找并开发一些可持续发展或可生态循环的环境友好材料，生物降解塑料当是其中最为环保、最具有发展前景的绿色材料之一，也由此形成了一股开发生物降解塑料的热潮。随着这类新型材料的不断开发和其应用领域的不断拓宽，它们将会给人类生活带来极其深远的影响。1.降解塑料：是指在一定条件下，经过一段时间和一个或多个步骤，导致材料的化学结构显著变化而损失某些性能（如完整性、分子量、结构或机械强度）和/或发生破碎的塑料。2.降解塑料分类：按照降解方式的不同，可分为光降解、热降解、氧化降解、生物降解以及组合降解塑料等。生物降解塑料的概念解析3.生物降解塑料：指在自然环境或可控堆肥条件下，可完全被土壤或堆肥中的微生物分解、代谢，释放出二氧化碳和水等的塑料。由于可以完全被环境中的有机质代谢掉，从根本上解决“白色污染”的问题，因此被全球公认为一种真正绿色的环保材料。生物降解塑料的概念解析生物降解塑料的概念解析生物降解塑料的主要品种生物降解塑料的主要品种已产业化的生物降解塑料：1.淀粉基生物降解塑料2.聚乳酸(PLA)3.聚丁二酸丁二醇酯(PBS)4.聚羟基脂肪酸酯（PHAs）5.聚甲基乙撑碳酸酯(PPC)6.聚己内酯(PCL)生物降解塑料的性能-淀粉基1.淀粉基生物降解塑料淀粉基生物降解塑料示意图1.1淀粉的结构生物降解塑料的性能-淀粉基图3淀粉结构示意图1.2淀粉基生物降解塑料定义：淀粉基生物降解塑料泛指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为共混体系主要成分的塑料都属于此类。1.3应用范围：淀粉价格低廉，淀粉基材料成本较低，可用于一次性餐具、注塑玩具、薄膜等领域，但由于淀粉具有很强的吸湿性和脆性，淀粉基材料的使用寿命以及印刷性能都较差，所以淀粉基塑料的应用也受到很大限制。生物降解塑料的性能-淀粉基1.4性能特点：•在各种环境中都具备完全生物降解能力；•淀粉分子降解或灰化后，生成CO2和H2O，不对土壤和空气产生毒害；•采取适当的工艺使淀粉热塑性化后可达到用于制造塑料材料所需的机械性能；•淀粉是可再生资源，取之不尽，开拓淀粉的利用有利于农村经济发展；但由于淀粉具有很强的吸湿性和脆性，淀粉基材料的使用寿命以及印刷性能都较差，所以淀粉基塑料的应用也受到一定限制生物降解塑料的性能-淀粉基1.5淀粉基生物降解塑料的发展历程第一代——7%~30%淀粉与聚烯烃（如PE,PP）共混物，淀粉降解后留下一个多孔聚合物不能在降解；第二代——≥50%的淀粉以连续相存在，与亲水性聚合物进行活性共混、产生较强的物理和化学作用，有较好的生物降解性，力学性能介于LDPE和HDPE之间；第三代——热塑料淀粉(TPS)、天然淀粉、高直链淀粉或支链淀粉直接挤塑或注塑得到的全淀粉塑料生物降解塑料的性能-淀粉基1.6国内外生产淀粉基降解塑料的企业美国Metabolix、意大利Novamont、河北昭和生态科技有限公司、武汉华丽生态科技有限公司、浙江天禾生态科技有限公司、浙江华发生态科技有限公司、福建泛亚科技有限公司、福建百事达生物科技有限公司、河北华丹生物降解材料有限公司、河南飘安集团、广东上九科技有限公司、南京比澳格环保材料有限公司等。生物降解塑料的性能-淀粉基1.6淀粉基生物降解塑料制品生物降解塑料的性能-淀粉基生物降解塑料的性能-淀粉基生物降解塑料的性能-淀粉基2.聚乳酸(PLA)2.1聚乳酸(PLA)的制备聚乳酸主要由乳酸直接聚合或丙交酯开环聚合制得，由于丙交酯开环聚合能得到较高的分子量，所以此法为目前最为普遍的生产方法。根据原材料乳酸的手性(左旋L，右旋D)不同，聚乳酸可分为PLLA、PDLA等（多为PLLA）。乳酸可以通过玉米淀粉发酵制得，为生物基材料，因此很多时候称PLA为“玉米塑料”。生物降解塑料的性能-PLA2.2聚乳酸(PLA)的循环生物降解塑料的性能-PLAPLA循环示意图2.3PLA的生产流程生物降解塑料的性能-PLA2.4PLA的特性：•PLA为结晶型聚合物，密度1.25g/cmcm3，熔点为185℃，机械强度高(拉伸强度为60MPa)，硬度高(洛氏115)；•生物相容性好，透明性高；•产能较大(15万t/a)，成本较低(2.2万元/t左右)；然而其最大的缺点是热变形温度(HDT)过低(只有55℃)、脆性较大(断裂伸长率＜10%)、制品易变形，达不到运输要求（＞60℃），大大限制了其广泛应用。生物降解塑料的性能-PLA2.5国内外生产企业世界上产能最大PLA生产企业为NatureWorkshop(CargillDow-帝人组成)，产能14万t/a，有注塑级、挤出级、片材级、纺纤级、吹瓶级以及双向拉伸薄膜级等。我国浙江海正生物材料有限公司和长春应用化学研究所合作开发PLA，已成功建立5000t/a的生产线，但牌号较少；上海同杰良与同济大学合作开发PLA，已建成500t/a的生产线；江苏九鼎集团和深圳光华伟业正扩建万吨级厂。其他的规模较小，缺乏竞争力。生物降解塑料的性能-PLA2.6国际市场上的主要PLA品种:(1)CargillDow公司—ECOPLA，生产能力为14万t/年。(2)日本三井化学公司—LACEA，生产能力500t/年。(3)日本岛津制作所—LACTY，主要生产聚乳酸薄膜。生产能力1000t/年。(4)大日本油墨与化学工业公司—CPLA，生产能力1000t/年。(5)美国Chronopol公司—HEPLON，生产能力2000t/年。生物降解塑料的性能-PLA2.7PLA应用生物降解塑料的性能-PLAPLA除作为包装材料以外，可用于医用缝合线(无须拆线)、药物控释载体(减少给药次数和给药量)，骨科内固定材料(避免了二次手术)，组织工程支架等。2.8PLA的制品生物降解塑料的性能-PLA生物降解塑料的性能-PLA生物降解塑料的性能-PLA2.生物降解塑料的性能-PLA3.聚羟基脂肪酸酯（PHAs）PHAs为聚羟基脂肪酸酯系列生物降解塑料，在细菌体内合成。通过对PHAs合成酶及细菌的基因改造，可使PHAs的结构、分子量以及合成效率等发生改变，从而得到不同性能的PHAs材料。目前开发的PHAs材料有聚羟基丁酸酯(PHB)、聚羟基戊酸酯(PHV)、聚(3/4羟基丁酸酯)(P3/4HB)共聚物、聚羟基己酸酯(PHHx)以及聚(羟基丁酸-戊酸酯)(PHBV)共聚物等。生物降解塑料的性能-PHAs3.1PHAs的结构与性能PHAs随结构或组成不同，理化特性各异。•一般为白色粉末状结晶型聚合物；•熔点145～175℃,热变形温度高（105℃);•机械强度高，硬度高。•具有非线性光学性、压电性和优良的气体阻隔性能。•缺点：加工温度范围很窄、热稳定性很差；脆性很大；二次结晶现象严重。成本很高（4万～5万元/t）。生物降解塑料的性能-PHAs3.2PHAs的产业链生物降解塑料的性能-PHAs3.3国内外生产企业日本理化研究所(RIKEN)、韩国KAIST研究院、美国的Metabolix和TEpha都在积极进行研究和产业化。宁波天安生物材料有限公司与中科院合作开发的PHBV已经建成2000t/a的生产线，目前正在筹建年产2万t的生产线，其PHBV与巴斯夫的Ecoflex共混制得的ENMAT材料，克服了PHBV脆性和加工困难的问题，但其成本很高。生物降解塑料的性能-PHAs天津国韵生物材料有限公司已建成年产1万t的P(3/4HB)生产线、除此之外，深圳意克曼生物科技有限公司、山东鲁抗集团、广东联亿生物公司以及江苏南天集团也与清华大学、汕头大学等高校合作，正在建立PHAs中试生产线。生物降解塑料的性能-PHAs生物降解塑料的性能-PHAs3.4PHAs的应用生物医用材料、药物释放包裹微球、包装材料、建筑材料、压电材料、保鲜材料、粘合材料、喷涂材料和衣料、器具类材料、电子产品等。生物降解塑料的性能-PHAs生物降解塑料的性能-PHAs生物降解塑料的性能-PHAs4.聚丁二酸丁二醇酯（PBS）4.1PBS的制备生物降解塑料的性能-PBS4.2PBS的性能•PBS为一种典型的结晶型脂肪族聚酯，聚合物，密度为1.26g/cm3,熔点为115℃；•机械强度较高(40～45MPa)，韧性好(断裂伸长率＞400%)；•热变形温度高(85℃)，制品可耐100℃的热水；•硬度较高(洛氏95)；加工温度范围宽。•在目前产业化的生物降解塑料中，PBS的综合性能最为优异。生物降解塑料的性能-PBS4.3国内外生产企业•我国的PBS产业化走在世界前列。安庆和兴化工有限责任公司与清华大学合作建立了1万t/a的PBS生产线并投产，成为目前全球PBS产能最大的企业；日本三菱生产的PBS成本较高，产能较小；日本昭和采用扩连法生产PBS，由于扩链剂的原因，较少应用于食品领域，产能较小；德国巴斯夫生产的PBS类共聚酯Ecoflex，成本过高（5万～6万t/a），较多用于吹塑薄膜；我国杭州鑫富药业和广州金发科技股份有限公司开始了PBS产业化项目。生物降解塑料的性能-PBS4.4PBS的应用与其它生物降解塑料相比，PBS力学性能十分优异，接近PP和ABS塑料。可用于包装、餐具、化妆品瓶及药品瓶、一次性医疗用品、农用薄膜、农药及化肥缓释材料、生物医用高分子材料等领域。PBS综合性能优异，性价比合理，具有良好的应用推广前景。生物降解塑料的性能-PBS生物降解塑料的性能-PBS生物降解塑料的性能-PBS生物降解塑料的性能-PBS生物降解塑料的性能-PBS生物降解塑料的性能比较•生物材料、医用材料•日常用品：包装材料（薄膜、购物袋、垃圾袋、片材）、餐具、玩具、纤维•办公用品（文具等）•宾馆用品（一次性用具）•工业包装（薄膜和注射制品）•农用材料（管件、棚膜、地膜等）生物降解塑料的应用•医用材料生物降解塑料的应用•生物材料生物降解塑料的应用日常用品-薄膜：生物降解塑料的应用生物降解塑料的应用日常用品-片材生物降解塑料的应用•日常用品-注射品生物降解塑料的应用•日常用品-模压品生物降解塑料的应用•日常用品-模压品生物降解塑料的应用•酒店用品生物降解塑料的应用生物降解塑料的现状•目前，生物降解塑料的市场主要在美国和欧洲。据估计，美国对生物降解塑料的需求量将以每年超过25%的速度增长，到2012年需求量将超过32万t，其市场价值将达到8.45亿美元。尽管2007年生物降解塑料在热塑性塑料总需求量中所占的比例不足0.5%，但其巨大的增长潜力已经显现出来。•2008年欧盟对完全生物降解塑料的用量为10万t，年增长速度为20%，生物降解塑料需求量占通用塑料的5%～10%；预计到2020•年，欧盟生物降解塑料需求量将达到500万t。生物降解塑料的现状•据中国塑协降解塑料专业委员会统计，我国2003年生物降解塑料的用量约15kt，其中非淀粉基的生物降解塑料约1kt；2007年实际生产量约30kt，国外进口10kt，出口30kt。2010年，我国生物降解塑料总产能已达到250kt左右。不久的将来中国将成为生物降解塑料最大的生产基地和消费市场。生物降解塑料的现状•PLA是目前应用最为广泛的生物降解塑料。由于其稳定性较好，同时在自然界中可以堆肥降解，欧美以及日本的众多企业都加大了对PLA塑料的研发和生产，美国的Natureworks处于领先地位，拥有14万吨的产能，德国的巴斯夫集团、日本的三井株式会社以及荷兰的普拉克集