氧化-生物降解塑料添加剂所带来的机遇

     长期以来，围绕塑料制品的废弃引发的“白色污染”，社会上存在大量争议。无论是用垃圾掩埋或其它方法，废弃塑料制品在环境中存留的时间非常长，会四处遗留数十年，堵塞下水道和排水沟，散布在河道、海滩、树木、海洋上，对野生动物构成威胁。为此，有人提出要封杀塑料包装，也有人提出徵税。
     良好的环境需要管理。勿庸置疑，我们应该尽可能减少使用、重新使用和再生使用塑料制品。这一策略仍有许多局限性，对于一些无法回收、难以回收、回收成本很大的塑料制品，我们需要加大力度寻找更好、更实用的方法。目前，世界范围内的研发热点集中在利用降解塑料制造上述塑料制品。因此，我们面对资源与塑料、塑料与环境、成本与利益等平衡关系，可遵循“少用一点、回收一点、降解一点”的原则策略。
     降解塑料开发研究由来已久。早期针对聚烯烃（PO）塑料制品的光降解、光-生物降解、中期的大量无机物填充改性的环境可消纳材料均取得了一定的研究进展和巿场应用。问题在于此类可降解聚烯烃制品都不能有效控制寿命，能不能确保降解产物最终完全转化为CO2、水和腐殖质（生物量）。随着近年来全生物降解聚酯材料（可水解塑料）的问世和应用，降解聚烯烃塑料制品的研究似乎要被划上句号。
    面对降解聚乙烯地膜技术的困惑
    中国开展降解聚乙烯地膜研究二十余年，先后经历了光降解、光—生物降解等技术阶段。主要技术措施是添加光敏剂或光敏剂与淀粉填充改性共用。经过多年试验，结论褒贬不一，结果基本是否定的。焦点集中在地膜使用寿命是否可控、降解能否彻底。中国地域广阔，气候环境和土壤条件差异很大，耕作方式也有很大不同。在东北地区试验成功的寿命可控产品，到了西北地区使用结果迥异，换到西南地区又是另外一种结论。如果使用寿命短于设计寿命，墒情遭到破坏，导致作物减产，甚至绝产；如果使用寿命长于设计寿命，要么花费大量人力成本整理回收残膜，要么让残膜残留于土地中。留在土地中的残膜如果能够在光、热、氧、水、微生物、细菌等因素作用下完全降解，并最终转化为CO2、水和生物量（腐殖质），不影响后续种植，是完全可以接受的。但现在的结果是无论基于何种降解技术的聚乙烯地膜被掩埋于土地或被抛掷在田间地头，都不能完全降解，滞留期长（近十余年），严重影响后续种植，还造成视觉污染。由此，地膜又回到了原起点，重新采用普通聚乙烯吹塑地膜。
    事情又走向了另一方面。既然降解技术不可靠、不完善，业内学者提出，那就应采用耐老化易回收技术，减少污染的同时提高石油资源的循环利用率。回收的地膜可再生造粒制成其它塑料制品，也可作为补充燃料焚烧取热。欧美国家在相当长一段时间内采用了该项技术，效果不错。新的问题又出现：耐老化易回收地膜的厚度增加，原材料成本上升，回收的人力成本甚至超过了废膜的价值。技术推广受挫，尤其是在中国，高投入低产出、社会效益巨大的活动几乎无人有兴趣。周而复始，农用地膜又回到了既不耐候，又不降解的普通聚乙烯吹塑膜。
     地膜全降解技术是得到种植行业认可和欢迎的，问题的症结在于技术的完善性。中国已成为全球无与伦比的农用塑料使用大国。农用地膜的年均耗用量达到45万吨，覆盖面积超过2亿亩。曾有农业技术部门统计研究，土地中的塑料碎片残留量小于7公斤/亩，尚不影响后续种植。但今天的情况是，土地中的塑料碎片残留量已大大超过这一极限值。据笔者两个月前在中国农用地膜使用量最大、覆盖面积最大的新疆地区调查结果表明：以推广地面覆盖塑料膜最广泛、最深入的新疆生产建设兵团为例，在其所辖各团的棉花、番茄种植中，土地中地膜累计残留量达35公斤/亩，严重影响作物的种植和生长。残留的塑料碎片在土壤和种子之间搭起了隔离层，阻挡了水、肥等养分，导致种子不发芽、不出苗。劳作者不得不多次补种，耗费大量人力、物力，还影响产量。兵团采取了大量激励或强制措施，制造了专用机械，要求回收残膜，但收效甚微。因此，中国需要寿命可控的全降解地膜。
     技术的进步，为上述问题的解决提供了新途径。既然聚乙烯的降解或防老化技术在地膜的使用存在这样或那样的问题，我们为什么不采用非聚乙烯的可降解的透明覆盖材料呢？近年来，聚乳酸（酯）PLA、脂肪族聚酯（PBS）等全生物降解树脂相继问世。将此类树脂用于农用地膜的呼声日渐高涨。但是，有几个现实问题是不容回避的。中国农民需要的是投入低、一次性投入更低的生产资料。中国已把聚乙烯薄膜做到了世界最薄（0.003mm），使用寿命平均60-90天。上述聚酯或改性聚酯的成本或售价能否与聚乙烯抗衡或竞争？聚酯的超薄吹塑技术尚未过关。更有一个不容忽视的问题，农业种植是一个高水、高温、高湿环境、多微生物环境、多化学品环境，是一个堆肥环境，以水解为主要作用机制的聚酯产品寿命能否满足种植期需要，能否实现寿命可控？
     有了全生物降解的聚酯材料，业内关于废除聚乙烯降解地膜的呼声也日渐高涨，甚至认为那是一项已终审判决死刑的技术。诚然，聚乙烯不能生物降解（亦即不能完全降解），但其氧化产品能不能生物降解？能不能最终被环境消纳？能不能不影响土壤结构和地力（养份）？
     氧化-生物降解塑料添加剂带来的机遇
     加拿大EPI公司开发的氧化-生物降解塑料添加剂技术应用于传统聚烯烃塑料制品，不改变或影响塑料传统加工制造过程；制品寿命可根据用途在生产中“编程”制造；制品强度和其他特徵与传统塑料一样；制品同样可以再生和循环加工使用；制品无论是堆肥、掩埋还是随意抛弃、最终都可变为CO2、水和生物量。并且，氧化-生物降解塑料添加剂符合美国FDA和欧盟针对食品应用的EFSA。
     三年多来，EmoChiellini教授带领的研究小组一直在Pisa大学对添加了EPI的TDPA的聚烯烃进行综合调查。调查涉及对样品氧化降解的研究，随后又进行了氧化材料在固体介质（土壤和堆肥）中的生物降解。今天的工作主要集中在TDPA-聚乙烯样品。
     TDPA-PE购物袋样品以LDPE和LLDPE为基础，在温度高达70℃的空气中，具有氧化的高度倾向性（通过测量吸收的氧）。氧化过程中聚乙烯的摩尔质量有明显的、渐进的降低（碳链被打断成越来越小的分子）。降解速度取决于温度和相对湿度。温度升高、相对湿度降低时速度持续加快。聚合物分子分解成氧化分子碎片的原因是氧化过程。薄膜不可避免地弱化、分解成越来越小的碎片。这些亲水碎片，暴露或埋藏于土壤，或与成熟堆肥混合，在设定的时间内，可生物降解成65%-75%的矿化物质（由微生物把碳转化成二氧化碳）以及10%-15%细胞生物量。在所有的案例中，证明在普通PE样品呈惰性的条件下，TDPA-PE样品能够氧化生物降解。
     基于EPI公司的完全降解塑料添加剂（TDPA®）技术，我们尝试性地将其应用于聚烯烃农业地膜，以实验室加速老化评价和田间实验效果评估相结合，对其展开了初步研究。
    新技术应用于地膜的试验研究
    氧化-生物降解技术并不改变普通塑料的加工过程、装备、使用性能，寿命可根据使用地区的光通量、使用季节的最高温度、最低温度、平均温度、以及湿度、降雨、海拔高度、目标使用寿命来度身设计添加剂（编程）。而且，加工和储存时间不影响制造性能和寿命；氧化-生物降解塑料同样可以循环再生、重复使用。鉴于氧化-生物降解的上述技术特点，我们选择了西南某省份为试验地，进行氧化——生物降解地膜应用试验研究。
    试验地气候条件
    试验地位于东经97°31’至106°11’、北纬21°8’至29°15’之间，平均海拔2000米，年温差小，日温差大，最热月平均气温19-22℃，最冷月平均气温6-8℃，光照强度125kcL/cm2/年，最高气温35℃。
    试验地膜的技术参数
    聚乙烯吹塑薄膜用熔融指数为2.0克/10分的LLDPE为主，厚度0.005mm，拉伸负荷（纵/横）≧1.0N，断裂伸长率（纵/横）%≧120、直角撕裂负荷（纵/横）≧0.4N；外观：无大的鱼眼，无破洞气泡。分两组设计，一组为35天破裂，二组为50天破裂。破裂后的残膜就地埋入土中离地表30cm处，一年后不应有明显可视碎片。
     根据ASTMD3826规定，当75%以上的被测试件的伸长率小于5%时，降解完成。因此可以根据制品的断裂伸长率和断裂伸长率保留率来衡量制品的降解程度。
     设计破裂时间为35天的聚乙烯地膜的断裂伸长率和断裂伸长率保留率结果见表2。该地膜于第40天破裂，并于第45天埋入土地，观察其生物降解情况。
     我们的试验还在继续进行。本文旨在抛砖引玉，建议业内技术人员不要放弃聚乙烯的氧化-生物降解技术的开发与利用，不要放弃农用聚乙烯地膜及其它难以回收、回收成本巨大、回收导致二次污染的聚乙烯制品的氧化-生物降解技术开发。在新的全生物降解聚酯材料问世的同时，不应把性价比更高的聚乙烯降解技术置诸高阁或弃之不用，二者完全是可以共存的。
     氧化-生物降解塑料与水解型聚酯类（淀粉类）生物降解塑料的对比
     可氧化生物降解塑料制品与水解型聚酯类生物降解（淀粉基）制品相比，具有一些主要特点：
     1）可在任何室外或室内环境中降解，即使没有水。多数水解型生物降解塑料需要在微生物较多的环境中（例如肥堆）才能降解。
     2）水解型生物降解塑料降解时产生甲烷，而氧化生物降解塑料不会。
     3）氧化生物降解塑料在制造过程中可进行寿命规划，在规定的时间内降解。水解型生物降解塑料的降解速度不可预先设定。
     4）氧化生物降解塑料更坚固、用途更广、更廉价。
     5）氧化生物降解塑料制造时所用的劳动力和机械与传统塑料无异，不会减少制造业的工作岗位。
     6）可氧化生物降解塑料更薄、存放和运输的空间更小、产生的物质更少。
     7）可氧化生物降解袋可常温处理、在常规设备中与其相关塑料废物一同再生，重新制造，而水解型生物降解袋不能。
     8）水解型聚酯类全生物降解材料成本高。以淀粉为起始原料，需耗用大量能源。