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幾種可生物降解塑料的性能與應用比較研究

2020年09月18日 星期五 來源:鏈塑網 我來說兩句 保存為書簽

環球聚氨酯網訊:塑料自問世以來,廣泛應用於國民經濟的各個領域,如包裝行業和一次性製品行業,給人類的生產和生活帶來了極大的便利。然而,其巨大的使用量和廢棄量導致了日益嚴重的環境汙染———“白色”汙染,包括河流汙染、農田地膜汙染以及海洋塑料汙染。

據統計,自 1950 年人類大規模製造塑料以來,大約生產出 83 億噸塑料,其中 63 億噸直接廢棄為垃 圾;據推測,到 2050 年,全球塑料產量將超過 340 億噸,廢棄塑料的產量將為 120 億噸。

近年來,塑料汙染均赫然在列於Science、Nature和 C&En 各自發布的年度重大事件中。

可生物降解塑料是指各項性能在儲存期內滿足使用要求,而使用後可在自然環境條件下降解成對環境無害的物質的一類塑料,被認為是解決塑料汙染問題的有效途徑之一。

市麵上常見的可生物降解塑料見下表,其中,PLA、PBS 和 PBAT 的產業化程度較高。不同的可生物降解塑料的特點不同,各有優缺點。

為促進對可生物降解塑料的了解和認識,小編將從產能、綜合性能和應用領域等方麵綜合比較上述可生物降解塑料,以期為相關行業從事人員提供參考。

產能情況對比

上圖是幾種可生物降解塑料截至 2019 年 12 月的現有產能及已知的預計增加產能。可以明顯發現,PLA 和 PBS/PBAT 是現有產能最大的兩種降解材料,全球產能均達到 30 萬 t/a級別。

而且,在全球整體“限塑”政策向好的情況下,PLA 和 PBS/PBAT 材料市場也變得十分火熱,未來 10 年預計產能將分別大幅增加 95 萬t/a 和 50 萬 t/a ,能有效緩解目前可生物降解塑料供不應求的局麵。

當然,這些規劃中的項目大多處於前期籌備階段,能否如期投產不得而知。但是,這在一定程度上說明了PLA 和PBS/PBAT 材料是目前市場上認可度最高的可生物降解塑料。

另外,相對於生產原料易獲得、生產技術較成熟的 PBS/PBAT 類材料,國內PLA 的生產技術明顯滯後,尤其是丙交酯原料受製於人,導致國內 PLA 產能明顯低於國外 PLA 產能。

目前,中科院長春應化所陳學思院士團隊有可能打破這種桎梏,其團隊開發了可工業化應用的第二代丙交酯製備技術,形成了從丙交酯到聚乳酸終端產品的新一代全產業鏈技術,且經過行業科技成果鑒定,整體技術處於國際領先水平。

PHA、PPC、PGA、PCL等可降解塑料的現有產能和未來預計增加產能均較小,主要原因在於此類可生物降解塑料還處於產業化初級階段,生產技術不成熟、生產成本過高,導致市場認可度不高,現階段無法與 PLA 和 PBS/PBAT 在替代通用塑料方麵形成競爭,而是多用於高端生物醫用材料領域。

值得注意的是,這類可生物降解材料通常具有 PLA 和 PBS/PBAT 所不具有的獨特性能。舉個例子, PGA 具有非常優異的力學強度和氣體阻隔性,其在油氣井壓裂球和高阻氣性包裝材料等領域中的應用潛 力非常大。

目前,國內以煤化工路線生產PGA ,成本有望降至 1萬元/t ,屆時其應用範圍有望從量少的高端生物醫用材料領域向量大的高性能塑料領域延伸。

綜和性能對比

聚乙烯(PE)是應用較廣的傳統塑料,也是可生物降解塑料的主要替代對象。PE具有優異的結晶性、水蒸氣阻隔性和耐候性,這些性能可統稱為“PE 特性”。

事實上,目前常見的可生物降解塑料基本都是脂肪族聚酯,如 PLA 和 PBS ,可大致看作是含有酯鍵的 PE ,其分子鏈中的酯鍵賦予其生物降解性,脂肪鏈賦予其“PE 特性”。有前景的可生物降解塑料需要兼具生物降解性和“PE 特性”。

因此,將可生物降解塑料與聚乙烯進行綜合性能對比是非常有必要的。

可以看出,不同可生物降解塑料的特點也不同,各有優缺點,但均不完全具備“ PE 特性”。

PBAT 和PBS 的熔點和力學性能與 PE 相當,說明其可基本覆蓋 PE 在一次性製品行業中的應用,但是相比於 PBAT ,PBS 存在水解速率過快、貯存穩定性差的缺陷;PLA 的熔點和強度高於 PE ,但拉伸韌性和結晶性明顯較低,其經過增韌、結晶促進等改性後也可以基本覆蓋 PE 在一次性製品行業中的應用。

另外,PLA、PBAT/PBS 的商品化程度較高,在以前供需狀況不緊張的情況下,市場價格可穩定在2 萬 元/t 左 右,但仍然明顯高於通用塑料PE。而且,在現階段供應不求的情況下,PLA 的市場價格漲至4萬元/t,還一料難求。

PGA 和 PHA 的熔點和強度高於 PE ,但拉伸韌性低於 PE ,具有與 PLA 一樣的基本性能特點。但是,它們具有 PLA 所不具備的獨特性能,尤其是PGA ,具有非常優異的強度和氣體阻隔性,賦予其在高性能塑料領域的應用潛力,如高阻氣性包裝材料和工程塑料。

現階段 PGA 和 PHA 的生產成本過高,商品化程度較低,而且降解速率太快,貯存穩定性較差。但是,考慮到其具有獨特的性能,且成本在未來有 望降低,具有較好的發展前景。

PCL 的熔點僅60℃,使用上限溫度低;PPC 為無定型聚合物,且玻璃化溫度為45℃左右,即 PPC在40℃以上就會發生變形。這兩種可生物降解塑料均存在使用上限溫度低的缺陷,因此,其應用範圍嚴重受限。

綜上所述,已商品化的 PLA 、PBAT/PBS 的市場前景最好。但是,若要大範圍替代現有通用塑料 PE ,不僅生產成本有待進一步降低,而且有賴於一些問題的妥善解決,即提高產品的“ PE特性”。另外,具有獨特性能的 PGA 的大規模應用也有待相關問題的解決。

應用領域對比

表4是部分可生物降解塑料在現階段的主要應用領域。其中,PLA 和 PBAT 主要應用於日常塑料,最符合現階段的“限塑”政策需求。根據國內 2018 年的統計數據,我國一次性塑料製品耗量高達2000萬噸,占國內塑料製品產量的 33%。

理論上,PLA 和 PBAT 可以對所有一次性塑料製品進行替代,即是一個潛在市場容量超過2000萬噸的市場。

另外,PLA 和 PBAT 的應用領域雖有重疊之處,但各自特點不同,比如 PLA 屬於硬塑料,而 PBAT 屬於軟塑料,可近似看作石化產品中的聚丙烯和聚乙烯。而且,吹膜加工性差的 PLA 做膜袋,多與韌性好的 PBAT 共混,其可在提高吹膜加工性的同時又不損害其可生物降解性。

其他幾種現階段產業化水平不高的可生物降解塑料基本用於用量少、附加值高的生物醫用材料領域。不過如前文所述,這些塑料具有 PLA 和 PBAT/PBS 所不具有的獨特性能,一旦產業化進程加速,其獨特的相關性能將賦予其廣闊的應用前景。

總結

隨著世界範圍內垃圾分類和“限塑令”的強製性逐步升級,可生物降解塑料已然站上風口,尤其在今年,可生物降解塑料市場占有率最高的 PLA 價格整體暴漲,甚至出現“一料難求”的狀況。

中國現有可降解塑料的年產能約為 31 萬噸,占全球可生物降解塑料年產量的 37%。據預測,全球降解材料的年增長率將超過 20%,而中國將是未來幾年產能擴張的主力軍,其產品不僅可擴大出口至目前可降解塑料消耗量最大的西歐地區,也將助力國內日益火爆的降解塑料市場的發展。

目前,PLA 和 PBS/PBAT 是產量最大的兩種降解塑料,且市場認可度較高,最有望大範圍替代現有不可降解塑料 PE、PP,用於一次性塑料製品領域。

其他可生物降解塑料目前產能有限,且市場集中於附加值高的高端生物醫用材料領域,還無法與 PLA 和PBS/PBAT 材料在替代通用塑料方麵形成競爭。但是,這些具有獨特性能的可生物降解塑料的大規模產業化進程正在加速,預計在未來將具有廣闊的發展前景。

 
 
 

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