為什么越來越多的公司和國家都看好生物塑料？驅(qū)動其發(fā)展的原因是什么？該材料的兩個突出特性就足以回答這些問題。一方面，生物塑料的來源是可再生原材料;另一方面，生物塑料具有生物可降解能力，后者更是作為其主要特性。這兩個特性彼此獨(dú)立，方向不同，并且各自的代表材料相互間沒有競爭性。一言以蔽之的“生物塑料”顯得有些武斷，且容易引起混淆。而這兩個特性都具有極其重要的意義。
生物塑料
在特定的聚合物范疇里，生物基含量為30%的PET在產(chǎn)能和市場方面算是處于領(lǐng)先地位的杰出代表。Nova研究所已經(jīng)公布了全球生物塑料近年間產(chǎn)能發(fā)展情況的專業(yè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)也被歐洲生物塑料協(xié)會用于其公開發(fā)表的數(shù)據(jù)中。
如果能夠從生物原料中生產(chǎn)出乙二醇(MEG)，那么基本上每個生產(chǎn)廠商都能夠制造出生物基含量為30%的PET。市場目前能供應(yīng)約30萬噸的生物基MEG，能夠生產(chǎn)出約100萬噸生物基含量為30%的PET。其中的一部分PET被可口可樂公司用于飲料瓶生產(chǎn)。實(shí)際上，可口可樂從2009年就著手于這項(xiàng)生產(chǎn)項(xiàng)目。從那時起，該公司制造出超過400億個含有生物PET的飲料瓶，減少了超過30萬噸的二氧化碳排放量。
在2015年春季，可口可樂展示了第一個使用了100%對苯二甲酸(PTA)的生物塑料飲料瓶。但生產(chǎn)PTA對于創(chuàng)業(yè)公司而言還不夠經(jīng)濟(jì)，目前他們還在測試各種綜合方法。生物基PET材料易于回收且適合長期應(yīng)用，滿足了未來對塑料行業(yè)的高要求。目前，使用PET的用戶數(shù)量和應(yīng)用領(lǐng)域正在穩(wěn)步上升，范圍涵蓋醫(yī)藥包裝、汽車零件、戶外紡織品等。
聚乙烯呋喃酮(PEF)
在PET獲得成功之后，聚乙烯呋喃酮(PEF)目前還在發(fā)展中，該材質(zhì)由MEG和呋喃二甲酸(FDCA)制造而成，從起始鏈段開始就是100%生物基。位于荷蘭阿姆斯特丹的Avantium科技公司是FDCA生產(chǎn)領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，位于德國路德維希港的巴斯夫歐洲公司，去年3月份宣布在比利時安特衛(wèi)普新建一個FDCA的生產(chǎn)工廠，產(chǎn)能高達(dá)5萬噸/年。日本東京的三井物產(chǎn)株式會社也與之簽訂了長期供應(yīng)合同。
與PET相比，PEF的定位是對CO2和O2具有更強(qiáng)阻隔性的材質(zhì)。因其具有更高的機(jī)械強(qiáng)度，可生產(chǎn)出壁厚更薄的包裝，從而減少薄膜和瓶子的包裝重量。基于其功能性、環(huán)保性能和成本優(yōu)勢，PEF被公認(rèn)為生物塑料市場前途光明的一個新材料。
聚乙烯
生物聚乙烯(PE)已經(jīng)進(jìn)入市場發(fā)展多年。位于巴西圣保羅的Braskem公司，是目前唯一在競爭艱難的日用品領(lǐng)域成功將該聚合物定位為優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的制造商——沒有賦予其新功能，其優(yōu)勢是碳排放更小。目前，其客戶群正在增長，分銷渠道在繼續(xù)開發(fā)。食品制造商過去關(guān)于食品和非食品之間的包裝采用，往往都會避免采用生物塑料包裝，如今他們再次看到了商機(jī)(見圖3)。對于制造商來說，生物基PE的產(chǎn)能達(dá)到20萬噸/年是重要的第一步，進(jìn)一步的投資現(xiàn)在也在考慮之中。盡管生物PE材料也被應(yīng)用于科技產(chǎn)品中，例如電纜外層或污水管道，但生物聚烯烴主要的用途仍然是非食品包裝領(lǐng)域，如化妝品或消耗品的包裝
值得引起注意的是各包裝巨頭，如英國拉什登的RPC集團(tuán)、澳大利亞霍桑的Amcor公司、芬蘭赫爾辛基的Stora Enso集團(tuán)以及德國杜賽道夫的Gerresheimer公司，都極其重視“生物基”，并把它作為未來發(fā)展之本。位于瑞士皮伊的TetraPak國際公司，計(jì)劃在2016年初向市場投入約1億個100%生物基的TetraRex包裝盒，其材料來源為Braskem生產(chǎn)的生物PE材料
聚酰胺
卓越的耐受性和高彈性是許多生物聚酰胺(PA)的基本特性。與已經(jīng)投入市場數(shù)十年的PA10和PA11一樣，新型PA4和PA5因其特殊性能，如溫度穩(wěn)定性、耐化學(xué)性和尺寸穩(wěn)定性，也正在吸引市場關(guān)注。傳統(tǒng)意義上的PA往往用于汽車領(lǐng)域的特殊應(yīng)用，而生物PA也征服了消費(fèi)品領(lǐng)域，例如戶外衣物、運(yùn)動鞋和眼鏡框架。主要聚合物生產(chǎn)商，如KS/美國威奇托的Invista S.a.r.l.公司、荷蘭海爾倫的DSM工程塑料公司、德國埃森的Evonik工業(yè)公司，為了進(jìn)一步拓展PA單體組合的范圍，正積極與各生物技術(shù)公司展開合作，如加拿大/美國門洛帕克的Calysta公司、中國上海的國泰生物科技有限公司、馬來西亞雪蘭莪州的Emery Oleochemicals集團(tuán)以及加拿大/美國卡爾斯巴德的Verdezyne公司。
其他生物塑料
客戶需求推動了可持續(xù)的高性能塑料的發(fā)展。透明度高、耐刮擦的“Durabio”合成材料獲得了2015年的“生物塑料獎”，該生物聚碳酸酯(PC)來源于異山梨糖醇，由法國萊斯特朗Roquette Freres公司、日本東京的三菱化學(xué)株式會社和日本大阪的夏普株式會社聯(lián)合制造。
客戶對于生物塑料卓越的性能要求也同樣促進(jìn)了聚對苯二甲酸丙二醇酯(PTT)的發(fā)展，該材質(zhì)尤其適用于彈性工藝紡織纖維的應(yīng)用(見表1)。如果把熱固性塑料也考慮進(jìn)去，其衍生物的數(shù)量會更多。生物基聚氨酯(PU)或聚環(huán)氧化合物如今也有多種不同的應(yīng)用，前景看好(見圖6)。有意向的公司可以利用數(shù)量與日俱增的商業(yè)適用生物基單體結(jié)構(gòu)單元，主要是二元醇或多元醇，其性能的改良空間也跟生物成分一樣大。
生物塑料在玩具行業(yè)的應(yīng)用也與日俱增。丹麥比隆的樂高玩具公司在2015年發(fā)表聲明稱，到2030年將只使用可持續(xù)原材料生產(chǎn)產(chǎn)品，這相當(dāng)于7萬噸/年塑料產(chǎn)能。尋找能夠替代化石ABS的材料是其接下來的任務(wù)，降低碳排放也必須執(zhí)行。樂高玩具公司已經(jīng)成立創(chuàng)新中心，并且已經(jīng)與生物聚合物制造商及世界自然基金會(WWF)開展了合作。盡管生物塑料已經(jīng)在玩具領(lǐng)域有所應(yīng)用，但其市場發(fā)展仍然處于起步階段。
生物降解塑料
與其化學(xué)和物理結(jié)構(gòu)相關(guān)，很多聚合物具有生物可降解的特性，其中，聚酯是最大的分支。結(jié)構(gòu)復(fù)雜的聚合物材質(zhì)聚乳酸(PLA)有不計(jì)其數(shù)的結(jié)構(gòu)，其中包括持久耐用的一種結(jié)構(gòu)。MN/美國明尼通卡的NatureWorks公司是眾多制造商中的領(lǐng)先者，以15萬噸/年的產(chǎn)能高居榜首，把競爭對手遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在身后。目前，眾多公司都在嘗試制造工藝或生產(chǎn)工藝的進(jìn)一步提升。荷蘭阿姆斯特丹的Corbion公司宣布計(jì)劃在泰國Rayon投建產(chǎn)能為7.5萬噸/年的工廠，預(yù)計(jì)將在2018年投入運(yùn)營。
PLA如今已經(jīng)在全球范圍內(nèi)銷售，其主要應(yīng)用于包裝領(lǐng)域、纖維和薄膜，絕大部分以復(fù)合物的形式占據(jù)重要的市場份額。該材質(zhì)的功能性，適用于多種領(lǐng)域：食品包裝(例如，酸奶杯、飲料瓶、復(fù)合薄膜或發(fā)泡容器)作為紡織品纖維或技術(shù)產(chǎn)品(面料、過濾器、無紡布材料)或者用于耗材(例如辦公用品或技術(shù)元件)。
PBS和PBAT
由于丁二酸(SA)生物技術(shù)的蓬勃發(fā)展，專家預(yù)計(jì)聚丁二酸丁二醇酯(PBS)的生產(chǎn)將迎來迅猛增長。如同PLA一樣，該脂肪族聚合物可以是100%的生物材料，可以通過氫化SA來制造1，4丁二醇(BDO)，或直接通過發(fā)酵來制造BDO。諸如巴斯夫、帝斯曼工程塑料和三菱化工等化學(xué)公司正在投資這一科技領(lǐng)域的創(chuàng)新生物科技新興企業(yè)，例如加拿大魁北克的BioAmber公司、加拿大/美國圣地亞哥的Genomatica公司，以及摩洛哥/美國沃本的Myriant公司。相信PBS很快會像如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用的聚己二酸丁二醇酯二醇(PBAT)那樣做到大規(guī)模生產(chǎn)。這兩種聚酯材質(zhì)都已廣泛用作淀粉或PLA的軟化混合成分，且從“包袋市場”的增長中獲得了最大收益。
許多國家和地區(qū)已經(jīng)有相關(guān)國家法律規(guī)定須分揀生物廢品和其他廢棄物，如：意大利的運(yùn)輸包裝，法國的水果和蔬菜包裝袋，這促成了7萬噸產(chǎn)能可堆肥包裝袋的巨大市場。而未來的市場潛力更大：專家預(yù)測歐洲未來5年的可堆肥包裝袋消耗量將會是目前的三倍，全球市場潛力也會在未來5年內(nèi)增長數(shù)倍。當(dāng)前，nova研究員正在細(xì)致地研究分析歐盟市場和基本法律條件的重要性。
PHA
作為聚酯家族的另一成員，聚羥基脂肪酸酯(PHA)直接產(chǎn)自細(xì)菌體，不同結(jié)構(gòu)的PHA展現(xiàn)截然不同的特性，其中一些結(jié)構(gòu)可以在各種介質(zhì)中徹底分解。眾多小規(guī)模公司，正在努力嘗試在全球范圍內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)和營銷。最近，意大利圣喬治-迪皮亞諾的Bio-OnSrl公司宣布與歐洲兩大有意向的商業(yè)伙伴合作，他們分別來自意大利和法國，計(jì)劃新建兩個生產(chǎn)工廠，每個工廠分別具有約1萬噸/年的產(chǎn)能。中國和美國的公司亦在涉足PHA領(lǐng)域。
可降解聚合物的發(fā)展情況比目前認(rèn)為的更加復(fù)雜。PLA本身已經(jīng)具備一些現(xiàn)代塑料性能：可根據(jù)特殊用途的需求來實(shí)現(xiàn)定制，諸多結(jié)構(gòu)只需與其他聚合物結(jié)合就能充分發(fā)揮其特性。當(dāng)前焦點(diǎn)集中在一個相對窄范圍的產(chǎn)品品類——采用多種可降解聚酯制造使用壽命短、可堆肥的、一次性使用的產(chǎn)品，這主要是由于政策驅(qū)動的要求，以及把“可堆肥”作為一個獨(dú)一無二的市場賣點(diǎn)來定位。然而，這并不是發(fā)展的終點(diǎn)，而僅僅只是發(fā)展期間的一個小高潮。
前景展望
塑料無疑是強(qiáng)大的，它能幫助我們解決很多問題。在未來的數(shù)十年間，它也必須重塑自身。資源和環(huán)境方面的問題直接與短壽命的塑料制品相關(guān)，塑料的應(yīng)用已經(jīng)很廣泛，但其回收利用往往很難。這就是為什么塑料產(chǎn)品必須可回收的原因，否則它們會對環(huán)境造成許多負(fù)擔(dān)。
根據(jù)艾倫麥克阿瑟基金會的塑料戰(zhàn)略，大公司的專家和代表們相信，對于短壽命的塑料產(chǎn)品而言，生物降解是一個正確的解決方案。然而根本問題在于，產(chǎn)品必須利用盡可能少的資源進(jìn)行生產(chǎn)，并且要設(shè)計(jì)更多用途。生命周期分析報(bào)告顯示，回收和使用可再生資源是問題的重點(diǎn)。歐盟議會和歐盟委員會在基礎(chǔ)原則下提出了許多方案，但生物塑料的地位并未得以肯定，它是近年來才發(fā)展起來的，并且，大批量生產(chǎn)的塑料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也已經(jīng)構(gòu)建，這相應(yīng)地導(dǎo)致了傳統(tǒng)塑料生產(chǎn)的慣性。然而，這并不會影響生物塑料行業(yè)的發(fā)展。一旦市場發(fā)展搭建起穩(wěn)定的基礎(chǔ)，生物塑料就會得到政治家、消費(fèi)者和評論員的充分支持，也能夠吸引和留住新的投資者。
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