行业动态全淀粉热塑性塑料研究进展
| 1 引言
鉴于日益增长的塑料“垃圾山”越来越被人们看作是对生态系统的威胁，而建填埋场的空间有限，特别是大城市寸土寸金更为突出；焚烧则设施需要大量资金投入，同时也带来环保问题，因而80年代以来降解塑料风靡全球，科学家和环保工作者以为找到了一条解决塑料污染的希望途径，80年代末，美国降解塑料以75%的年增长速度发展，其中绝大多数是填充型淀粉塑料，意大利、丹麦、瑞士、瑞典等国家及美国的部分州甚至立法禁止作短期使用的非降解材料或对其征收额外税，美国1987年使用过的塑料废物已有1%（22000t）是可降解 ，预计到1992年将这一比例提高到15%（386000t)；东京的DJK国际公司研究机构宣布，除独联体和东欧外，世界对生物降解塑料的需求到2000年将达到1000kt。1995年欧洲的生物降解塑料市场规模为5000t/a，日本为500t/a[1~3]。
然而，曾几何时，风光一阵的降解塑料热迅速降温，当时主要是光降解塑料和填充型淀粉塑料，而90年代后科学家们发表了众多研究结果指出，填充型淀粉塑料含淀粉量在10%~30%之间，通常使用的是15%左右，作为垃圾，能降解的仅是其中的淀粉，被填充的PE、PVC等塑料不能迅速降解，虽然有不少厂商宣传待淀粉降解完后，PE、PVC等也逐渐降解裂成碎片，直至最后消失，环保学家尖锐地指出：“这最后是何时？”如在几百年后对环保有什么意义？据日本橡胶协会报道，日本大武义人等研究了将LDPE、PS、PVC及UF没有变化；PVC外观没有变化，但其表面上的增塑剂减少并发生了氧化作用，性能变劣；LDPE伴随有发白现象，与土壤接触部分均成碎片，显示出严重的破坏和分解现象，在需氧细菌活跃的地表附近采集的试样，可见有非常严重的老化降解现象，但经评价方法检测，其失重仅约15%，以此计算，厚度60μm的LDPE薄膜要达到完全生物降解将需要近300年，加上其价格比传统塑料高，回收又更不利，因而包括美国环保委员会在内的一批环保机构和专家反而起来反对生产和使用降解塑料当然，最近研究表明，填充了通用塑料的淀粉基生物降解材料也并非毫无用处，作为非生物降解的通用塑料若以很细的纤维状分解在降解材料中，这种共混塑料与垃圾一起堆肥，非生物降解部分全被微生物或其分泌物覆盖，而起到使土壤活化作用，并能和腐植质一起稳定地存在于土壤中，这提供了重新考虑用塑料在生物降解塑料方面的应用。但是，这种处理工艺不易且成本高，随着时间的推移，这种共混物在土壤中累积过多有何负面影响尚难预料[4~6]。
因此，人们已有了共识，所谓降解塑料就必需在废弃后能短期百分之百降解为无害物质，如生成CO2和水，否则就无推广意义了。
2 国外概况
发达国家经历了满怀希望解决塑料污染的填充型淀粉塑料风波后，政府及有关企业制定了各种计划，投入了大量的人力和物力，研制了各种真正能完全降解的塑料，其中有：
光降解塑料：能完全降解的有聚合型光降解塑料，如美国DOW化学公司，杜邦公司和联合碳化物公司等生产的乙烯/一氧化碳共聚物、乙烯/乙烯基酮共聚物等。
聚合型生物降解塑料：又可分为生化合成和化学合成两种，如Ecochem、Cargill和Boechringer等公司生产的聚乳酸（PLA）、联合碳化物公司生产的聚已内酯（PCL）、卜内门公司生产的聚羟基丁·戊酸酯（PHBV）；日本昭和高分子公司生产的脂肪族聚脂（Bionol)等，已制成洗发精瓶子、薄片、渔网及海军专用易拉罐等，这些产品在微生物活跃的环境中会降解，但在正常的储藏及使用下，仍然保持稳定状态。
全淀粉塑料：属于天然聚合物类，含淀粉在90%以上，添加其他组份也是能完全将的，而淀粉要形成塑料，必须要改变其分子结构而具有热塑性能，因此又称为热塑性淀粉塑料，目前已有日本住友商事公司、美国Wamer-Lamber公司、意大利Ferrizz公司等宣称研究成功含淀粉量在90%~100%的全淀粉塑料，在较短期间（1月~1年）完全生物降解而不留任何痕迹无污染，可用于制造各种容器、瓶罐、薄膜和垃圾袋等[7~12]。
全淀粉塑料的生产原理是使淀粉分子变构而无序化，形成了具有热塑性能的淀粉树脂，其制品的加工虽然可沿用传统的塑料加工设备，如挤出、流延、注塑、压片和吸塑等，但其工艺却有所不同，传统塑料在加工时含水率应控制在几乎无水程度，而全淀粉塑料加工时则应具有一定量的水份，且温度不能过高以避免烧焦。
虽然上述各种可完全降解塑料已问世，除产量较少的光降解塑料已工业化外，生物降解塑料大规模推广的时机尚未成熟，原因一是价格高，无法与现行塑料竞争；二是某些应用性能尚存在缺陷；三是降解控制不易，所以完全降解塑料目前在国外也只是应用于特定的领域，如英国用于高级化妆品包装容器，美国用于海军携带出海的食品容器等。
3 国内概况
90年代以来，我国降解塑料研究和生产蓬勃发展，据不完全统计，从事科研、开发和生产的单位达到60多家，已建成生产线近百条，其中十余条从国外引进，但是，除少数是生产光降解塑料外，大部分是生产填充型淀粉塑料，其制品的淀粉含量仅为10%~30%，因而推上市场的塑料产品组成大部分是PE、PVC、PP等，虽然产品可裂成碎片，但在几百年内难以分解，随着岁月及使用量的增长，它们大量积累于土壤中其后果不盐而喻。
就目前而盐，我国尚无完全降解塑料生产，只能生产淀粉填充型的生物降解塑料和添加型的光降解塑料，可完全降解的聚合型光降解塑料我国既无生产也无试验，聚合型生物降解塑料也仅进行了实验室试验。
至于全淀粉塑料，有些单位如浙江大学、天津大学和华南理工大学等对淀粉的改性和塑性化做了很多工作，但均未进入全淀粉塑料产品开发阶段[12~14]，江西科学院应用化学研究所多年来在国家自然科学基金委员会支持下，用四种不同工艺对淀粉进行了无序化，然后制造热塑性淀粉塑料并加工成薄片和薄膜，其力学性能如下：
薄膜密度 1.15g/ml
薄膜厚度 0.4mm
光泽度 80%
拉伸强度 7~10MPa
断裂伸长率 180%~260%
撕裂强度 33N/mm2
就其外观和性能而言，用于一次性塑料制品如快餐饭盒、购物袋和垃圾袋等是可能的，其成本也比国外低廉得多，现正在进一步改善其有关应用性能和降低成本。
4 展 望
全球塑料产量已逾1亿t，其中30%用于包装，这一使用用周期短的产品给城市带来了大量垃圾，长期污染环境，因而大家都希望完全降解塑料尽快工业化生产，阻碍它发展的首要问题是成本。
就目前问世的完全降解塑料品种而言，成本降低可能性最大的要数全淀粉塑料，因为不管如何，它所需的原料淀粉是可再生资源，其单位价格远比传统塑料原料低，更不用说与现在合成的可降解树脂比了，就世界而言，淀粉多年来是压库产品，美国一直大力开拓淀粉应用，填充型淀粉塑料一度在美国发展迅速也是美国玉米种植协会积极鼓吹推动的结果，我国虽然有时粮食紧张，但谁也不会拿淀粉当主粮，淀粉近来更是不断增产，急需开拓其应用，因此，其原料是充分保证的。
随着研究的深入和产量的递增，不仅产品的性能可提高，其成本也会下降，以日本1995年市场为例。其成本与传统塑料对比见表1。
表1 生物降解塑料与一般塑料的成本比较
注：售价为人民币
从表1可看出，就目前而言，国外真正可降解的塑料其价格比传统塑料贵得多，但美国饲料谷物协会1995年也发表了一组有趣数字，随着降解塑料的生产递增，其平均成本将大幅度下降，如表2。
当然，全淀粉塑料在其中是低于平均成本的，而且这两年来有不少改进，成本更低，随着研究的深入，全淀粉塑料与一般塑料制品价格相当或略高是完全可能的[9，10，15]。
从Ferrizz公司和我们所制成的样品来看，全淀粉热塑性塑料在某些领域中已可能应用，与一般塑料制品的价格比也可为用户所接受，现正在进一步测试其应用性能及收集收集使用后的各项有关数据，相信不久的将来，真正完全生物降解的全淀粉塑料制品将在塑料应用中占有一席之地，为清除塑料的污染作出应有的贡献，造福于人类。
表2 生物降解塑料产量及成本展望
注：售价为人民币 |
