• 生物塑料

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    生物塑料

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    生物塑料是由可再生生物資源生產的塑料,例如植物油脂、玉米淀粉草、木片、鋸末、回收的食物垃圾等。生物塑料可以由農業副產品制成以及使用過的塑料瓶和其他使用微生物容器。普通塑料,例如化石燃料塑料(也稱為石油聚合物)是從石油或天然氣中提取的。并非所有生物塑料都比商品化石燃料衍生的塑料更容易生物降解或生物降解。生物塑料通常衍生自糖衍生物,包括淀粉纖維素乳酸。截至2014年,生物塑料約占全球聚合市場的0.2%。

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    應用

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    生物塑料用于一次性物品,例如包裝、陶器、餐具、盆、碗和吸管。生物塑料的商業應用很少。原則上,它們可以替代石油衍生塑料的許多應用,但是成本和性能仍然存在問題。實際上,只有在限制常規塑料使用的特定法規的支持下,它們的使用才具有經濟上的優勢。典型的例子是意大利,自2011年以來,隨著一項具體法律的出臺,可生物降解的塑料袋和購物者成為強制性行為。除結構材料外,還在開發電活性生物塑料,有望將其用于攜帶電流。

    生物聚合物可用作紙張涂料,而不是更常見的石化涂料。

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    類型

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    淀粉基塑料

    熱塑性淀粉目前是使用最廣泛的生物塑料,約占生物塑料市場的50%。通過淀粉糊化溶液澆鑄可以在家制作簡單的淀粉生物塑料薄膜。純淀粉能夠吸收濕氣,因此是制藥行業生產膠囊的合適材料。但是,純淀粉基生物塑料很脆。也可以加入增塑劑,例如甘油,乙二醇和山梨糖醇,這樣淀粉也可以進行熱塑加工。可以通過調節這些添加劑的量來調整所得生物塑料(也稱為“熱塑性淀粉”)的特性,以滿足特定需求。可以使用常規的聚合物加工技術將淀粉加工成生物塑料,例如擠出、注塑、壓塑和溶液澆鑄。淀粉生物塑料的特性在很大程度上受直鏈淀粉?/?支鏈淀粉比率的影響。通常,高直鏈淀粉可以產生更好的機械性能。但是,由于直鏈淀粉的糊化溫度較高和熔體粘度較高,因此其加工性能較差。

    淀粉基生物塑料往往混有生物降解聚酯,以產生淀粉/聚乳酸、淀粉/ 聚己內酯或淀粉/ Ecoflex樹脂(聚己二酸丁二醇酯-共-對苯二甲酸乙二醇酯由BASF生產)的共混物。這些混合物用于工業應用,也可堆肥。其他生產商也開發了其他淀粉/ 聚烯烴共混物。這些共混物不可生物降解,但與用于相同應用的石油基塑料相比,碳足跡更低。

    生物塑料

    由于其原料的來源,淀粉便宜、豐富且可再生。

    淀粉基塑料是淀粉與可生物降解或可堆肥的塑料(例如聚酸、聚己二酸丁二醇酯、對苯二甲酸酯、聚丁二酸琥珀酸酯聚己內酯和聚羥基鏈烷酸酯)的復雜混合物。這些復雜的混合物改善了耐水性以及加工和機械性能。

    淀粉基薄膜(主要用于包裝目的)主要由淀粉與熱塑性聚酯共混制成可生物降解和可堆肥的產品。這些薄膜特別用于雜志包裝和氣泡薄膜的消費品包裝中。在食品包裝中,這些薄膜被視為面包店或水果和蔬菜袋。帶有這種薄膜的堆肥袋用于選擇性收集有機廢物。此外,農業研究服務公司的科學家開發了一種新的淀粉基薄膜,甚至可以用作紙張。

    淀粉基納米復合材料已得到廣泛研究,顯示出改善的機械性能、熱穩定性、耐濕性和阻氣性。

    纖維素基塑料

    纖維素生物塑料主要是纖維素酯(包括醋酸纖維素xxx纖維素)及其衍生物,包括賽璐oid。

    纖維素經過大量改性后可以變成熱塑性的。醋酸纖維素就是一個例子,它很昂貴,因此很少用于包裝。但是,由于淀粉的親水性不如淀粉,因此添加到淀粉中的纖維素纖維可以改善機械性能,透氣性和耐水性。

    上海大學的一個小組能夠通過一種稱為熱壓的方法來構建一種基于纖維素的新型綠色塑料。

    蛋白質基塑料

    生物塑料可以由不同來源的蛋白質制成。例如,小麥面筋酪蛋白作為不同生物可降解聚合物的原料顯示出令人鼓舞的特性。

    另外,大豆蛋白被認為是生物塑料的另一種來源。大豆蛋白已經用于塑料生產一百多年了。例如,原始福特汽車的車身面板由大豆基塑料制成。

    由于其對水的敏感性和相對較高的成本,使用基于大豆蛋白的塑料存在困難。因此,生產大豆蛋白與一些已經可用的可生物降解的聚酯的共混物改善了水敏感性和成本。

    一些脂肪族聚酯

    脂肪族生物聚酯主要是聚羥基鏈烷酸酯(PHA),如聚3-羥基丁酸酯(PHB)、聚羥基戊酸酯(PHV)和聚羥基己酸酯(PHH)。

    聚乳酸(PLA)

    聚乳酸(PLA)是由玉米葡萄糖制成的透明塑料。從表面上看,它類似于傳統的基于石化的塊狀塑料,如PS。它具有降解為無毒產品的獨特優勢。不幸的是,它表現出較差的沖擊強度,熱強度和阻隔性能(阻礙空氣通過膜的傳輸)。PLA和PLA共混物通常以具有各種特性的顆粒形式出現,并在塑料加工工業中用于生產薄膜、纖維、塑料容器、杯子瓶子。PLA也是家用塑料絲的最常見類型熔融沉積建模。

    聚-3-羥基丁酸酯

    所述生物聚合物的聚-3-羥基丁酸酯(PHB)是一種聚酯由某些細菌處理葡萄糖,玉米淀粉生產的或廢水。它的特性類似于石塑聚丙烯的特性。PHB生產正在增加。在南美制糖行業為例,已經決定PHB產量擴大到工業規模。PHB的主要特點是其物理特性。它可以加工成熔點高于130攝氏度的透明薄膜,并且可以生物降解而沒有殘留物。

    聚羥基鏈烷酸酯

    聚羥基烷酸酯是線性的聚酯通過在自然界中產生的細菌發酵的糖或脂質。它們是由細菌產生的,用以儲存碳和能量。在工業生產中,通過優化糖的發酵條件,從細菌中提取和純化聚酯。該系列中可以組合150多種不同的單體,以提供具有極其不同性質的材料。與其他塑料相比,PHA更具延展性和彈性,而且還可以生物降解。這些塑料被廣泛用于醫療行業。

    聚酰胺11

    PA 11是衍生自天然油的生物聚合物。它也以商品名Rilsan B已知,由Arkema商業出售。PA 11屬于技術聚合物家族,不可生物降解。它的特性類似于PA 12的特性,但是在生產過程中減少了溫室氣體的排放和不可再生資源的消耗。它的耐熱性也優于PA12。它用于高性能應用,例如汽車燃油管線、氣動剎車油管、電纜白蟻護套、柔性油氣管道、控制流體臍帶運動鞋電子設備組件和導管。

    種類似的塑料是聚酰胺410(PA 410),由蓖麻油衍生70%,商品名為EcoPaXX,由DSM商業化。PA 410是一種高性能聚酰胺,兼具高熔點(約250°C),低吸濕性和對各種化學物質的優異耐受性的優點。

    生物衍生的聚乙烯

    乙烯的基本結構單元是乙烯。乙烯在化學上類似于乙醇,并且可以衍生自乙醇,乙醇可以通過農業原料(例如甘蔗或玉米)的發酵來生產。生物衍生的聚乙烯在化學和物理上與傳統的聚乙烯相同-它不會生物降解,但可以回收。巴西化工集團Braskem聲稱,利用其從甘蔗乙醇生產聚乙烯的方法,捕集(從環境中去除)2.15噸二氧化碳每噸生產的綠色聚乙烯。

    轉基因原料

    由于轉基因玉米是一種常見的原料,因此某些生物塑料是由此制成的,這一點不足為奇。

    在生物塑料制造技術下,存在“植物工廠”模型,該模型使用轉基因作物或轉基因細菌來優化效率。

    聚羥基氨基甲酸酯

    近來,人們非常重視生產生物基和不含異氰酸酯聚氨酯。一個這樣的例子利用了多胺與環狀碳酸酯之間的自發反應來生產聚異羥乙烷。與傳統的交聯聚氨酯不同,已證明交聯的聚羥基聚氨酯能夠通過動態的氨基甲酸酯化反應進行回收和再加工。

    脂質衍生的聚合物

    從植物和動物衍生的油脂中合成了許多生物塑料類別。聚氨酯、聚酯、環氧樹脂和許多其他類型的聚合物已開發出與原油基材料可比的性能。烯烴復分解的最新發展為將多種原料經濟地轉化為生物單體和聚合物打開了大門。隨著傳統植物油以及低成本微藻衍生油的生產不斷增長,在該地區具有巨大的增長潛力。

    環境影響

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    淀粉、纖維素、木材、糖和生物質等材料被用來代替化石燃料資源來生產生物塑料。與傳統的塑料生產相比,這使生物塑料的生產更具可持續性。生物塑料對環境的影響經常引起爭議,因為“綠色”有許多不同的衡量標準(例如,用水、能源使用、森林砍伐、生物降解等)。因此,生物塑料對環境的影響可分為不可再生能源使用,氣候變化、富營養化和酸化。生物塑料的生產xxx減少了溫室氣體的排放并減少了不可再生能源的消耗。全世界的公司也將能夠通過使用生物塑料來提高其產品的環境可持續性盡管與常規塑料相比,生物塑料可節省更多的不可再生能源,并且排放的溫室氣體更少,但生物塑料還具有對環境的負面影響,例如富營養化和酸化。生物塑料比常規塑料具有更高的富營養化潛力。工業化生產過程中的生物質生產導致硝酸鹽和磷酸鹽過濾到水體中;這會導致富營養化,即富水過程中營養過剩的過程。富營養化對世界各地的水資源構成威脅,因為它引起有害的藻華繁殖,形成氧氣死區,殺死水生動物。生物塑料還可以增加酸化作用。由生物塑料引起的富營養化和酸化的高度增加也是由于在可再生原料的生產中使用化學肥料生產生物塑料而引起的。

    與傳統塑料相比,生物塑料的其他環境影響包括對人類和陸地的生態毒性和致癌潛力較低。但是,生物塑料比常規材料具有更高的水生生態毒性。與傳統塑料相比,生物塑料和其他生物基材料增加了平流層臭氧消耗;這是在工業化生產生物質的農業過程中施肥期間一氧化二氮排放的結果。人工肥料會增加一氧化二氮的排放,尤其是當作物不需要所有氮素時。生物塑料對環境的輕微影響包括在用于制造生物塑料的農作物上使用農藥引起的毒性。生物塑料還導致收割車排放二氧化碳。其他較小的環境影響包括用于生物質耕種的高耗水量、土壤侵蝕、土壤碳損失和生物多樣性的喪失,它們主要是與生物塑料相關的土地利用的結果。用于生物塑料生產的土地使用會導致碳封存損失并增加碳成本,同時將土地從其現有用途中轉移出去。

    盡管生物塑料具有極大的優勢,因為它們減少了不可再生的消耗和溫室氣體的排放,但它們也通過使用農藥和肥料,富營養化和酸化而消耗土地和水,對環境產生了不利影響。因此,人們對生物塑料還是常規塑料的偏好取決于人們認為對環境最重要的影響。

    生物塑料的另一個問題是某些生物塑料是由農作物的可食用部分制成的。這使得生物塑料與食品生產競爭,因為生產生物塑料的農作物也可以用來養活人們。這些生物塑料被稱為“xxx代原料生物塑料”。第二代原料生物塑料使用非糧食作物(纖維素原料)或xxx代原料中的廢料(例如植物油廢料)。第三代原料生物塑料使用藻類作為原料。

    生物塑料的生物降解

    任何塑料的生物降解都是在固/液界面發生的過程,液相中的酶使固相解聚。生物塑料和含有添加劑的常規塑料都能夠生物降解。生物塑料能夠在不同的環境中生物降解,因此它們比常規塑料更容易被接受。生物塑料的生物降解性發生在各種環境條件下,包括土壤,水生環境和堆肥。生物聚合物或生物復合物的結構和組成都會對生物降解過程產生影響,因此改變組成和結構可能會提高生物降解性。土壤和堆肥由于其較高的微生物多樣性而在生物降解方面更為有效。堆肥不僅有效地降解了生物塑料,而且還xxx減少了溫室氣體的排放。通過添加更多的可溶性糖和提高溫度,可以提高堆肥環境中生物塑料的生物降解性。另一方面,土壤環境具有高度的微生物多樣性,因此更容易發生生物塑料的生物降解。但是,土壤環境中的生物塑料需要更高的溫度和更長的時間才能生物降解。一些生物塑料在水體和海洋系統中更有效地生物降解;但是,這會對海洋生態系統和淡水造成危險。因此,可以得出準確的結論是,水體中生物塑料的生物降解導致水生生物和不健康水的死亡可以被視為生物塑料的負面環境影響之一。

    工業和市場

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    盡管整個有機化學都是在20世紀由化學公司生產的,但是xxx家專注于生物塑料的公司Marlborough Biopolymers成立于1983年。然而,隨后的Marlborough和其他合資企業未能獲得商業上的成功,xxx個為確保長期財務成功的公司是成立于1989年的意大利公司Novamont。

    與基于石化的塑料相比,研究和測試新型生物基和可生物降解聚合物的費用和時間要求使生物塑料處于商業劣勢。生物塑料仍然不到全球制造的所有塑料的1%,直到最近,制造成本平均比石化塑料高2-4倍。大多數生物塑料尚未節省比制造它們所需的更多的碳排放量。最后,該行業在物質來源和廢物處置基礎設施方面都面臨物流問題。由于大多數生物塑料都是由植物糖,淀粉或油制成的,因此,用生物基塑料替代每年制造的2.5億噸塑料,估計將需要1億公頃土地,占地球耕地的7% 。而且,當生物塑料達到其生命周期的盡頭時,由于缺乏適當的堆肥設施或廢物分類,通常將那些可堆肥并以可生物降解形式銷售的塑料通常送入垃圾填埋場,然后在厭氧分解時釋放出甲烷。盡管如此,生物塑料行業仍以每年20-30%的速度增長。BCC Research預測,到2012年,全球可生物降解聚合物市場的復合平均增長率將超過17%,而這一增長率實際上已經被超過。預計到2020年,生物基塑料將占所有人造塑料的5%,到2030年將占所有人造塑料的40%。Ceresana預測,到2020年,當生物塑料達到塑料市場的5%時,生物基塑料將價值58億美元,是2014年生物塑料市場規模的三倍。生物塑料的xxx需求一直在包裝中,這是由于人們廣泛關注在一次性使用的一次性產品中使用石化塑料,然后將其隔離在垃圾填埋場或自然環境中。包裝繼續為生物塑料提供60%的市場,并在該行業的增長中占據xxx份額。市場對生物塑料(尤其是可持續包裝)需求增加的轉變。特別是在西歐,這種情況在2014年占全球可生物降解塑料需求的45%以上。最近的政策中也看到了消費者對更可持續選擇的需求。意大利已禁止使用石油基塑料袋德國對使用石油基塑料袋也要征稅。

    但是,生物基聚合物行業的發展速度沒有某些人預期的那樣快。NNFCC預測,到2013年,該行業的年產量將超過210萬噸,但到2017年,該年僅生產205萬噸的生物塑料。這僅占所有塑料制造業的一小部分,2015年塑料總產量為2.92億噸。隨著生產的擴大,目前還沒有關于生物塑料及其制造或處置的通用標準。這包括對產品作為生物塑料銷售所需的可持續來源材料的數量沒有任何規定。根據市場和市場,全球可生物降解塑料市場才剛剛起步,僅占整個塑料市場的不到1%。

    由于市場分散且定義不明確,很難描述生物塑料的總市場規模,但據估計全球生產能力為327,000噸。相比之下,全球xxx的石化衍生聚烯烴-聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)的全球產量在2015年估計超過1.5億噸。

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    詞條目錄
    1. 生物塑料
    2. 應用
    3. 類型
    4. 淀粉基塑料
    5. 纖維素基塑料
    6. 蛋白質基塑料
    7. 一些脂肪族聚酯
    8. 聚乳酸(PLA)
    9. 聚-3-羥基丁酸酯
    10. 聚羥基鏈烷酸酯
    11. 聚酰胺11
    12. 生物衍生的聚乙烯
    13. 轉基因原料
    14. 聚羥基氨基甲酸酯
    15. 脂質衍生的聚合物
    16. 環境影響
    17. 生物塑料的生物降解
    18. 工業和市場

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