降解塑膠

降解塑膠是指一類其製品的各項性能可滿足使用要求，在保存期內性能不變，而使用後在自然環境條件下能降解成對環境無害的物質的塑膠。因此，也被稱為可環境降解塑膠。

現在有多種新型塑膠：光降解型塑膠、生物降解型塑膠、光、氧化\生物全面降解性塑膠、二氧化碳基生物降解塑膠、熱塑性澱粉樹脂降解塑膠。

基本介紹

• 中文名：可降解塑膠
• 外文名：Degradable plastics
• 別稱：可環境降解塑膠。
• 原理：生物降解，光降解和化學降解

概念

聚合物的降解是指因化學和物理因素引起的聚合的大分子鏈斷裂的過程。聚合物曝露於氧、水、射線、化學品、污染物質、機械力、昆蟲等動物以及微生物等環境條件下的大分子鏈斷裂的降解過程被稱為環境降解。降解使聚合物分子量下降，聚合物材料物性降低，直到聚合物材料喪失可使用性，這種現象也被稱為聚合物材料的老化降解。

聚合物的老化降解和聚合物的穩定性有直接關係。聚合物的老化降解縮短塑膠的使用壽命。為此，自塑膠問世以來，科學家就致力於對這類材料的防老化，即穩定化的研究，以製得高穩定性的聚合物材料，而各國的科學家也正利用聚合物的老化降解行為競相開發環境降解塑膠。

降解塑膠的主要套用領域有：農用地膜、各類塑膠包裝袋、垃圾袋、商場購物袋以及一次性餐飲具等。

降解原理

環境降解塑膠的降解過程主要涉及生物降解，光降解和化學降解，這三種主要降解過程相互間具有增效、協同和連貫作用。例如，光降解與氧化物降解常同時進行並互相促進；生物降解更易發生在光降解過程之後。

開發趨向

1997年世界可降解塑膠市場預測約為2000萬磅，銷售額為2300萬美元；預計到2004年將增長35%。在美國和日本市場存在的可降解塑膠包括生物降解聚酯，如聚乳酸，生物降解PET，聚丁烯琥珀酸酯/已酸酯、聚羥基丁酸酯/戊酸酯、聚乙烯琥珀酸酯、聚酯酸胺和聚已內酯/混合物；澱粉和其混合物；以及加入增強降解能力添加劑的其它塑膠。增長的原因是環保塑膠用量的增加，另一原因是降低生產成本。通過擴大產量和經濟規模，生產廠家降低了它們的價格。但是，由於可降解樹脂成本高和已有的各種塑膠牢牢占領它們的市場是生物降解塑膠進入市場的障礙。其發展趨勢如下：

1、根據不同用途及環境條件，進一步深化研究，並通過分子設計研究，改進配方，開發準時可控性環境降解塑膠，已成為許多國家的重點攻關課題。

2、積極研究開發高效價廉光敏劑、氧化劑、生物誘發劑、降解促進劑、穩定劑等，進一步提高準時可控性、用後快速降解性和完全降解性。

3、加速研製生物降解塑膠或普通塑膠與澱粉、纖維素或無機材料填充共混或合金化技術，以及完全生物降解塑膠與天然材料塗覆層合技術為熱點中的熱點。

4、水解性塑膠和可食性塑膠，由於具有特殊的功能和用途而受到世界矚目，從而成為環境適性材料的又一熱點。

5、為加速降解塑膠的發展，各國正致力於加速研究和建立統一的降解塑膠的定義、降解機理、評價方法和標準。

6、探索及培育能降解普通塑膠的菌株，使廣泛使用的普通塑膠用後具有易降解性，以適應環保要求。同時十分重視培育可生產聚酯的生物性植物等，以降低生物降解塑膠的成本，有利於推廣套用。降解

塑膠分類

環境降解塑膠是一類新型的塑膠品種國外開發可環境降解的塑膠始於70年代，當時主要開發光降解塑膠，目的在於解決塑膠廢棄物，尤其是一次性塑膠包裝製品帶來的環境污染問題，至80年代時，開發研究轉向以生物降解塑膠為主，而且，也出現了不用石油而用可再生資源，如植物澱粉和纖維素，動物甲殼質等為原料生產的生物降 解塑膠。另外，也開發了用微生物發酵生產的生物降解塑膠。一類早已臨床套用的能為生體降解的醫用塑膠，如聚乳酸也引起了人們的注意，希望能用它來解決塑膠的環境污染問題，但是，對於這類塑膠是否歸類為環境降解塑膠尚有不同見解，日本降解塑膠研究會的意見認為不能歸入環境降解塑膠。但從降解塑膠是一類新型塑膠的角度考慮，應也可包括生體降解塑膠，並不妨將將降解塑膠從用途分類，分為環境(自然)降解塑膠和生體(環境)降解塑膠。後者已在醫學上用於手術縫合線，人造骨骼等。中國降解塑膠的開發研究基本與世界同步。但是，中國降解塑膠的研究開發始於農用地膜。中國是一個農業大國，地膜的消費量占世界第一位，為解決累積在農田的殘留地膜對植物根系發育造成的危害而影響作物產量，以及殘膜對農機機耕操作的妨礙問題，70年代即開始了光降解塑膠地膜的研製，1990年前後，出現了澱粉填充於通用塑膠的生物降解塑膠，同時，在光降解塑膠的基礎上，開發同時填充澱粉的兼具光降解和生物降解功能的地膜。各類降解地膜正在發展中，尚處於套用示範推廣階段。隨著中國人民生活水平的提高，一次性塑膠包裝製品帶來的環境污染問題日趨嚴重，為此，也正在積極開發用於包裝，主要是一次性包裝的降解塑膠製品，如垃圾袋，購物袋，餐盒等。

主要用途

降解塑膠的用途主要有兩個領域：一是原來使用普通塑膠的領域。在這些領域，使用或消費後的塑膠製品難於收集回對環境造成危害，如農用地膜和一次性塑膠包裝，二是以塑膠代替其他材料的領域。在這些領域使用降解塑膠可帶來方便，如高爾夫球場用球釘，熱帶雨林造林用苗木固定材料。具體套用在：

1、農林漁業，地膜，保水材料，育苗缽，苗床，繩網，農藥和農肥緩釋材料。

2、包裝業，購物袋，垃圾袋，堆肥袋，一次性餐盒，速食麵碗，緩衝包裝材料.

3、體育用品，高爾夫球場球釘和球座

4、衛生用品，婦女衛生用品，嬰兒尿布，醫用褥墊，一次性胡刀。

5、醫藥用材，繃帶，夾子，棉簽用小棒，手套，藥物緩釋材料，以及手術縫合線和骨折固定材料.

研究現狀

套用廣泛

合成高分子材料已在各個領域中得到廣泛套用。但是，使用後的塑膠廢棄物已成為了環境和社會的公害，一些已開發國家先後制定了限制或禁止某些場合使用非降解塑膠，要求使用可降解塑膠的規定。為此各國政府及塑膠工業界在著手制定處理和回收廢棄塑膠的有力措施的同時，十分重視研究開發可降解塑膠，在政府的協調和支持下，是可降解塑膠成為國際塑膠工業界的一個研究熱點。

環保衛生

可降解塑膠一般認為是一種通過太陽光輻射或土壤中微生物使其能分解成為低分子物的塑膠，它除具有可降解性外，還應有易於加工及滿足使用要求的性能。太陽光對聚合物材料的危害作用是紫外光和氧的綜合效應，因此稱光氧化降解。以聚烯烴為例，光氧化經常引起聚合物的斷鏈或交聯，並伴隨形成一些含氧的官能團，如酮、羧酸、過氧化物和醇。其降解主要來自於聚合物中催化劑殘留物，以及加工過程中引入的過氧化物和羰基的引發作用。

生化反應

微光聚合物的裂化作用主要來自於生物物理、生物化學及霉的作用，它對聚合物敏感性取決於聚合物本身的結構，以及周圍的環境如水、溫度、PH值及氧氣。按照降解的機理，可降解塑膠可分為光降解塑膠、生物降解塑膠以及光/生物雙降解塑膠。

非降解塑膠危害

塑膠因其質量輕、強度高、化學性能穩定及廉價等優點而在許多領域廣泛發展。塑膠工業發展很快，而用過的塑膠尚沒有妥善的處理方法，塑膠就垃圾就對自然環境帶來嚴重的污染。非降解塑膠大多是由低密度聚乙烯（LDPE）和線性低密度聚乙烯（LLDPE）其次是高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC）研製生成的。而這些塑膠一般都最終作為固體廢料處理掉，致使在空氣中形成酸雨等污染物，對我們的生活造成危害。

從而研究可降解塑膠勢在必然！塑膠等固體垃圾的丟棄會污染環境，深埋會侵占土地，燒毀則會污染空氣，這些都不解決問題的根本方法。解決問題的根本方法就是研製可降解塑膠，以此來代替非降解塑膠。

可降解塑膠發展

可降解塑膠是光降解塑膠和生物降解塑膠的統稱。已開發國家在70年代開始就進行光降解塑膠的研究，其理念比較成熟。而生物可降解始於80年代中期，發展很快，且已經有其工業產品。

我國從80年代開始了光降解塑膠的研究，近幾年才開始生物降解型塑膠的研究，我國從事該項目的單位已有幾十家，但是套用不大，推廣應是剛剛起步。我國可降解塑膠主要集中在澱粉填充型其產品已達到國外產品的同類水平，但離工業化生產還有一段距離。

可降解塑膠前景

首先可降解塑膠是為了保護環境而開發的。具有很大的意義。可降解塑膠的優良性能顯而易見，有廣闊的發展前景。可降解塑膠母料的研究、開發和生產對發展、推廣可降解塑膠有很大的促進作用。因為可降解塑膠母料與相應的聚合物共混生產可降解塑膠無須改變原塑膠成型加工過程。具有廣泛的實用性。

可持續發展

可降解塑膠的研究恰到好處的適應了我國的可持續發展戰略，能夠適應社會的發展，利用高分子材料進行化學、生物的方法合成出光/生物可降解塑膠是我們的研究開發的主要方向。我們能夠利用這些高分子合成方法合成出我們所需要的材料——可降解塑膠。

新型塑膠

光降解型塑膠

是指在紫外線的影響下聚合物鏈有次序地進行分解的材料。大多數聚合物並不吸收285NM以上波長的光能，但是，如果在聚合物中加入光敏感基團或添加具有光敏感作用的化學助劑，可加速光氧化反映的過程，使之快速發生降解。根據光降解聚合物分子設計原理及製造方法，可分為合成型光降解塑膠和添加型光降解塑膠。

共聚型光降解塑膠由美國杜邦公司發明，由聚乙烯（PE）與一氧化碳共聚即E—CO共聚物，或由聚乙烯與乙烯基銅共聚即GUILLET共聚物，其目的是使PE帶有羰基，以增強PE塑膠的降解性。改變PE中羰基的含量，可控制此塑膠的降解期在60~600天左右。後來，又發展了聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯和聚醯胺（PA）等含羰基共聚物。在西方國家的一些已開發國家，PE光降解膜已經用做地膜、食品袋和垃圾袋，PP降解膜也用在食品包裝和香菸生產中。

添加型光降解塑膠即在聚合物中添加少量的光引發劑和其他助劑，，典型的光引發劑或光敏劑有芳香酮、芳香胺、乙醯丙酮鐵、2-羥基-4甲基苯乙酮肟鐵、硬脂酸鐵等。在PE、PP、PVC和PS等聚合物中適量添加這些光敏劑都是可行的。

近幾年已完成了用長鏈烷基二茂鐵的衍生屋製得的光降解聚乙烯的研究，以及中科院長春套用化學研究所研究成功的以鐵化物為光敏劑的光降解PE塑膠薄膜。大連塑膠研究所開發的以金屬為光敏劑的光降解PE薄膜。

生物降解型塑膠

從生物降解過程看分為完全生物降解性和生物崩壞性塑膠兩大類；從製備方法考慮又可分為生物發酵合成、化學合成、利用動植物天然高分子或礦物質等四種。

完全生物降解性塑膠在化學方法合成時用利用脂肪族聚脂、聚乙烯醇（PVA）和聚乙二醇生產容易降解。利用這些高分子易生物降解的特性對生物降解塑膠進行研究開發，其中以對脂肪族聚脂的研究優為突出。在縱多的脂肪族聚脂的中，聚己內脂（PCL）套用甚廣，它是一種熱塑性結晶型聚脂，可以被脂肪酶水解成小分子，然後，進一步被微生物同化。美國UCC公司已進行批量生產，並已經用於外科用品、黏結膜、脫膜劑等產品。PCL與PHB共混後，也可以製備生物降解塑膠。脂肪族聚脂與尼龍進行胺脂的交換反應，合成聚醯脂共聚物（CPAE），CPAE則是新型的一種生物降解塑膠。

在用動植物的天然高分子合成時，植物的纖維素、澱粉等，動物中的殼聚糖、聚氨基葡萄糖、動物膠以及海洋生物的藻類等，可以製造有價值的生物降解塑膠。

也可以利用化學方法與天然高分子共混技術來合成可降解塑膠，主要品種有PHB/PCL，糊化澱粉/PCL等製品。它們的主要特點是可完全降解，同時通過共混提高其耐熱性、耐水性以及降低成本，使其成為通用的降解性塑膠。

生物崩壞性塑膠是屬於不完全生物降解塑膠，是在烯烴通用塑膠中混入生物降解性物質，使材料喪失力學性能與形狀，而通過堆肥化產生與生物降解性能同樣的效果，因這類塑膠成本低，國內外已經採用這種方法。

脂肪族聚脂類生物崩壞塑膠是通用塑膠很纖細的纖維狀均勻的分散到具有生物降解性的聚脂而能使共聚物具有生物降解性。將脂肪族通用塑膠如PE、PP、PS、PVC等共混，控制其相結構和分散狀態，製得物理性能優秀的生物降解塑膠；而天然礦物質生物崩壞塑膠與碳酸鈣填充改性聚烯烴塑膠相似，為了適應環境的需要，研究開發了高填充碳酸鈣母料以及專用料，以此製成薄膜、片材、盒等包裝材料。吉林研究所研究了PE/碳酸鈣類地降解材料。這類材料具有塑膠用量低、能耗低、成本低等優點，然而密度大、氣密性小、降解誘導期不宜控制以及力學性能較差的缺點，因此只能作為一次性使用的包裝材料，其降解性還有待進一步研究。

生物降解型塑膠的發展方向是A、利用纖維素、澱粉、甲殼質等高分子材料製取生物降解塑膠，進一步開發改良天然高分子的功能與技術。B、利用高分子設計、精細合成技術合成生物降解塑膠。通過對具有生物降解性的合成高分子生物降解機理的解析，製取生物降解塑膠；同時對這類高分子與現有通用聚合物、天然高分子、微生物類聚合物等的鑲段共聚進行研究開發；C、提高生物降解塑膠的生物降解性能和降低其成本，並擴寬套用。D、降解速度的控制研究。總之，隨著社會的需要，生物降解塑膠會越來越受到重視，成為今後一個時期的重大研究課題。

PHA降解塑膠是生物降解塑膠中性能最為優良的，同時由於其成本較高，生產工藝較為複雜，目前還處於市場起步階段。2010年全球的PHA的產能還不到8萬噸，而其中美國的Metabolix公司有大約5萬噸的產能，占據了市場上的60%以上。中國企業在PHA的生產工藝和研發上同樣走得較為靠前，天津國韻生物材料有限公司擁有1萬噸的PHA產能，寧波天安擁有2000噸的產能，深圳意可曼生物科技有限公司有5000噸的產能。日本的Kaneka公司，巴西的PHBIndustrial公司也是PHA行業的典型代表，這些公司都是PHA行業的推動者，雖然目前來說PHA的套用較為局限，導致Metabolix每年的實際銷售量還不超過100噸，但是隨著未來下游套用的逐漸拓展，尤其是在薄膜包裝，農膜，食用餐具，無紡布等行業套用的進一步成熟，PHA的市場潛力巨大。

光、氧化/生物全面降解性塑膠

是結合光降解、氧化降解與生物降解等多方面降解作用，以達到完全降解的作用，它是當前世界降解塑膠的主要研究開發方向之一。這種塑膠在美國的研究已有了較好的成績，在我國仍然還是一項較為困難的研究課題之一。

熱塑性澱粉樹脂降解塑膠

將澱粉分子變構而無序化，形成具有熱塑性的澱粉樹脂，再加入極少量的增塑劑等助劑，就是所謂的全澱粉塑膠。其中澱粉含量在90%以上，而加入的少量其他物質也是無毒且可以完全降解的，所以全澱粉是真正的完全降解塑膠。幾乎所有的塑膠加工方法均可套用於加工全澱粉塑膠。全澱粉塑膠是國內外認為最有發展前途的完全生物降解塑膠。日本住友商事公司、美國Wanler lambert公司和義大利的Ferruzzi公司等宣稱研製成功澱粉質量分數在90%～100%的全澱粉塑膠，產品能在1年內完全生物降解而不留任何痕跡，無污染，可用於製造各種容器、薄膜和垃圾袋等。德國Battelle研究所用直鏈含量很高的改良青豌豆澱粉研製出可降解塑膠，可用傳統方法加工成型，作為PVC的替代品，在潮濕的自然環境中可完全降解。

二氧化碳基生物降解塑膠

日本井上祥平等發現二氧化碳可與環氧化物開鍵開環聚合生成脂肪族聚碳酸酯(APC)，這是迄今最有套用前景的二氧化碳共聚物。Takanashi等用二氧化碳、環氧丙烷和含酯鍵的環氧化物的三元共聚物作藥物緩釋劑。Masahiro等用蒸發溶劑的方法製備PPC微球作為藥物緩釋體系的載體，研究該體系釋藥速率影響因素，如PPC的分子量、藥物含量等。結果表明，隨著微球直徑的減小或負載藥物濃度的增加，釋藥速率增加，但釋藥速率和生物降解性能與共聚物的分子量無關，通過SEM觀察釋藥前後微球形態，確認PPC微球支持了藥物的長效、均勻釋放。美國專家採用一項新的技術，使用特殊的鋅系催化劑，將二氧化碳和環氧乙烷（或環氧丙烷），按一定的比例混合共聚，便製成了具有新特性的塑膠包裝材料。中國吉油集團公司與中國科學院長春套用化學研究所協作實施的二氧化碳基完全生物降解塑膠項目，已列入國家863科研計畫。它是一個具有廣闊發展前景的新型高科技環保材料研究開發項目。

優點分析

實用性：具有與同類普通塑膠相當或相近的套用性能和衛生性能。

降解性：在完成使用功能後，能在自然環境條件下較快降解，成為易被環境利用的碎片或碎末，最終回歸自然。

安全性：降解過程中產生和降解後殘留的物質對環境無害或無潛在危害。

經濟性：價格與同類普通塑膠持平或略高。

評價標準

美國ASTM已公布試驗標準如下：生物降解塑膠有關評價試驗標準，ASTMD5209-92,ASTMD5210-92,ASTMD5247-92,ASTM D5271-92,ASTM D5338-92。光降解塑膠有關評價試驗標準，ASTM D5071-91,ASTM D5208-91,ASTM D3826-92。環境安全有關評價試驗標準，ASTMD5152-91。我國已公布的有關試驗標準如下：GB 18006.1-1999 “ 一次性可降解餐飲具通用技術條件”，GB/T 18006.2-1999 “一次性可降解餐飲具降解性能試驗方法”，HJBZ 12-2000 “包裝製品環境標誌產品技術要求”，HBC 1-2001 “一次性餐飲具環境標誌產品技術要求”，QB/T 2461-1999 “包裝用降解聚乙烯薄膜”。今後，仍要參考世界已開發國家和我國有關試驗標準，並結合降解塑膠各類產品市場推廣情況，深入進行降解塑膠的定義和評價方法研究，不斷改進和完善有關試驗標準，這是降解塑膠產品推廣的基礎和產業化的前提。