生物基塑料的应用趋势与研究进展

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生物基塑料塑料作为高分子材料、生命科学和机械工程等多学科交叉的前沿领域，在世界各国广受重视。针对生物基塑料的材料及加工技术研究正在迅速发展，并呈现出与纳米技术、自组装技术、材料生物降解、新型医用材料等研究领域相互结合的趋势。
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( Z) _, |8 `+ J3 L2 f2 C- J- p随着人们对环境问题的日益关注，生物基塑料作为高分子材料、生命科学和机械工程等多学科交叉的前沿领域，正成为世界各国普遍重视的研究热点。美国能源部（DOE）预计到2020年，来自植物可再生资源的聚合物材料应用将增加到10%，而2050年更有可能达到50%。
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. x/ x* ^! q7 x" h  q/ E0 m生物基塑料种类与原料
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  j6 }  N1 `" O* E! _生物基塑料与合成塑料材料相比，具有良好的生物相容性、生物可降解性且降解产物无毒副作用等优点。生物基塑料可以分为微生物类、天然物类和化学合成类三种类型。微生物类生物基塑料主要利用细菌、霉菌、藻类等微生物在代谢过程中体内积聚的聚酯类物质，生产的如聚羟基丁酸戊酸共聚酯（PHBV）、微生物多糖等；天然物类生物基塑料主要包括壳聚糖/纤维素、淀粉、醋酸纤维素、热塑性淀粉等；化学合成类生物基塑料由於利用化学生物法合成，因此组成和分子量都可以自由设计，产品种类众多，如硬质类如聚乳酸（PLA），软质类如聚己内酯（PCL）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚（丁二醇丁二酸/己二酸酯）（PBSA）、聚(对苯二甲酸丁二醇酯-己二酸丁二醇脂)（PBAT）、聚乙烯醇（PVA）。

表1 目前常用的生物基塑料列表
! B. J/ W9 R' |+ n; s1 v" U# ?http://www.newmaker.com/nmsc/u/2010/20108/art_img/201082119461217629.jpg

目前以美国、日本为代表，正在进行生物基塑料生产原料的扩展研究。主要包括：（1）废弃物：如食品废弃物、餐厨垃圾、家畜排泄物、建筑废弃物、旧纸张等；（2）未利用废弃物：如农作物非食用部分、林地残留物等；（3）资源作物：如以能源、制品原料为目的的油脂植物、糖类作物等；（4）新类型作物：海洋植物、转基因植物等。从而减少目前生物基塑料对於粮食作物、经济作物的使用量，更好的发挥生物基塑料的环境友好性。
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8 z& k( z, [  o" {通过图1与图2的对比可以看出，生物基塑料的环境友好度明显大於常用的石油基塑料。加之具有良好的回收处理性能，在进一步拓宽原料来源，提高使用性能後，无疑将成为传统石油基塑料的重要替代材料。

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生物基塑料在日本的应用与研究进展
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1 x8 b& Z; J1 d6 d从用途来说，生物基塑料主要应用於以下几个方面。（1）农业工程、土木工程材料；（2）生活垃圾回收袋；（3）食品的容器、包装；（4）非食品的容器、包装；（5）衣料纤维、生活用品；（6）电子设备；（7）办公设备；（8）汽车零部件；（9）医疗用品等。
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随着各国针对生物基塑料的研究不断深入，针对不同材料配方改进与加工制备方法的研究也随之更深入，体现出良好的发展趋势。
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替代PC/ABS的电子设备、办公设备部件制造

日本富士公司研发的PC/PLA混合材料的阻燃性已能达到UL-94规格的最高等级标准，并成功解决了PC/PLA/阻燃剂混合後导致的成型难度加大、制品抗冲击性下降的问题，使得PC/PLA材料的加工条件与抗冲击性基本达到传统PC/ABS材料的性能。目前使用的PC/PLA材料中PLA含量已达到25%，并有望继续增加。该材料主要用於电子设备、办公设备外壳部件。
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替代PP的汽车内饰件部件制造

0 b% }( Z  g) R% y3 C) R汽车内饰部件对於材料的耐热性（100℃以上）、耐冲击性（>7kJ/m2）有较高的要求，目前多使用PP类石油基塑料材料。随着提升PLA结晶性能的新兴结晶剂的使用，通过在反应器中进行预反应处理，在不降低耐冲击性的基础上有效的提成耐热性，使得PLA注射制件的整体性能大幅提升，耐冲击性达到13kJ/m2，已经呈现出可以替换部分汽车内饰件PP材料的趋势。目前有多家汽车公司均在开展PLA材料研究，预计在2013年实现一定比例内饰件材料替代。
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替代石油基PE的容器、配管、胶片制造

洗浴液的包装材料通常要求具有较好的耐冲击强度（坠落冲击）、耐药蚀性，和良好的手感，通常使用石油基PE材料经中空成型制造。目前资生堂公司已开始进行使用生物基PE材料制造包装容器的试验。试验显示，生物基PE材料的性能已基本达到石油基PE材料的性能，但生物基PE材料成本是石油基PE的1.3-1.5倍。如何有效降低成本是下一步研究的主要内容。

) ]- D1 ]2 J5 ~4 i% S日本Braskem公司计划从2011年开始生物基PE的正式生产，一方面替代HDPE材料制造硬质容器、配管类制品，另一方面替代LLDPE制造胶片类制品，计划年产量20万吨，其中5万吨在亚洲销售。
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替代PP的洋麻纤维/PP共混材料
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丰田纺织公司近年开始尝试使用洋麻纤维材料制造汽车内饰部件。
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该技术首先将洋麻纤维破碎成为直径5mm左右的颗粒，与PP粉料混合後进行注射成型，产品与单纯使用PP的产品相比，刚性强、收缩率小。在洋麻纤维的含量达到60%的情况下，洋麻纤维/PP混合料流动性与PP基本相近。在注射件长度1米左右时，成型效果良好。在全球金融危机的影响下，高价格的汽车销量有所下降，为洋麻纤维/PP材料的应用提供了契机，可以更好的发挥其价格低、外观好的优点。

$ d+ x. H# ^) q; V陈旧/废弃粮食基塑料制造
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8 J" E) w2 O, X, q. K废弃粮食包括由於存储时间过长、霉变的粮食，也包括食品工业加工的废弃料。为了对这些陈旧/废弃粮食进行有效利用，使用这些材料制造生物基塑料便成为了较好的处理方法。通过将粮食粉末与PE、PP混合，制备仿木材料、托盘、食器等制品。

使用废弃粮食制备制品，根据加工成型工艺不同，温度与含粮食率各不相同。一般来说废弃粮食的含水率较大，当温度达到140℃时，混合材料中的水分开始挥发。但当温度超过180℃时，粮食成分会出现焦烧、变色现象，导致制品质量劣化。因此加工温度必须严格控制在140-160℃间，进行低温加工。

混合材料使用不同的加工方法，能达到的最大粮食成分含量各不相同。一般来说，异型材挤出成型含量最高可达70%左右，注射成型含量约为50%-70%，板材挤出成型含量约为50%，压膜成型含量约为50%，吹膜成型含量约为35%。