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铁杆木虫 (著名写手)

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[交流] 【交流】生物分解性塑料--介绍

生物分解性塑料
Introduction of Biodegradable Plasics

一、前言
全球每年大约生产1亿5,000公吨的塑料，其中日本的生产量在1,300万公吨左右。近年来随着塑料生产量的扩大，同时也产出为数颇多的塑料废弃物，其处理情形更是造成极大的社会问题。
日本每年产出塑料废弃物约有850~900万公吨，其中450万公吨是来自一般废弃物(占有一般废弃物的15~20%)，而400~450万公吨则来自产业废弃物中。至于塑料废弃物的处理方法，大约有49%是以焚化处理，41%为掩埋处理，其余10%则回收再用。
在焚化处理时，由于塑料产生的高热会破坏焚化炉，而折损焚化设备的使用寿命，再者，燃烧分解出的毒性气体与毒性物质也对人体健康有害。以掩埋处理塑料废弃物，则可能有塑料不易分解与掩埋场地不足的问题。至于一般在鼓励或倡导的废塑料回收再使用方式，如果考虑到整体能源成本(total energy cost)，就很难使其急速成长。基于目前的处理方法均有诸多问题而非最佳的选择，因此寻求具有废弃可分解性的材质，尤其是生物分解性塑料就日渐受到重视。
生物分解性塑料在使用时也具有与一般塑料同样的机能性，使用后废弃在在土中或海水中，可因微生物的作用而终至使其分解成二氧化碳；因此目前已在园艺用品或垃圾袋开始逐渐贩卖。根据开发业者表示，由于生物分解性塑料形状与环境条件的不同，可能要历经数周或数年才能使其完全分解；但是价格偏高是其唯一缺憾，目前每公斤的价格约在800日元，亟待价格的大幅下降。

二、生物分解性塑料的种类
生物分解性塑料可大别为淀粉系、微生物系及化学合成系等三种。其特质为淀粉系具有悠久的历史，微生物系的生物分解性特别优异，而化学合成系产品最适于用作工业材料；虽然还有其它如纤维素或甲壳醣(chitosan)等天然高分子的使用，但目前在开发中仍以上述三种生物分解性塑料为主。
1. 淀粉系
淀粉为一种具有高度生物分解性的天然高分子，然因欠缺热可塑性而不适用为塑料原料，因此目前已开发之产品多为经过物理加工或化学改质者。所谓的物理加工，即是在淀粉中添加水或可塑剂混合后加热等种种处理方法，混练加工为其代表性的加工方式。
一般混练加工时，是在数10㎏/㎝2的压力下进行，在与其它的生物分解性高分子混练后，就可使用传统的塑料用成形机使之成形。现在市面上贩卖的淀粉系生物分解性塑料，大多是由这种混练加工方式制得。
2. 微生物系
微生物系生物分解性塑料是以聚酯与聚氨基酸为主流产品。目前已知可由蓝绿藻、氮气固定菌、枯草菌及光合成细菌等100 种以上的细菌来生产聚酯。然后再将生产过剩的聚酯转换成能或碳质贮存物质的形式蓄樍于细胞内。在这一事实受到注目后，乃利用酦酵设备并选择出最适条件下培育微生物，再藉以大量生产出聚酯，经过萃取与分离精制后，即可得到符合要求的聚酯。这一类聚酯可为自然界中存在的微生物分解成二氧化碳与水，并且在170~180℃左右熔解，但其成形性与一般的塑料并无两样。
微生物系生物分解性塑料的机械强度较差，故一直未能实用化生产。然而英国ICI公司于最近开发出以微生物酦酵合成的poly(3-hydroxy chromic acid-co-3- hydroxy吉草酸)(商品名为”Biopol”)后，商品名为”Biopol”，这种产品的性能才又再度受到评价。之后，陆续又有各种3-hydroxy alginic acid(藻酸)与其共聚物的出现。至于”Biopol”，则经由英国Zeneca(英国ICI的子公司)让售给美国Monsanto。然而据称Monsanto已退出此一领域，今后其前途可能未卜。
除了聚酯以外，微生物系生物分解性塑料尚有polyglutamic acid(聚麸胺酸)或polylysine(聚二氨基己酸)等聚氨基酸系的生物分解性塑料。
3. 化学合成系
通常塑料是由聚缩合等化学合成技术来大量生产，成本也可因大量生产而大幅降低。虽然脂肪族聚酯最先是由微生物酦酵法合成产出，但是各家公司还是也颇重视化学合成的方法，产品也是集中在脂肪族聚酯。脂肪族聚酯赋有生物分解性是早已为人熟知的事，然因其机械特性及加工性均不佳而不利于应用；但自从1962年经过开环聚合技术得到高分子量产品之后，即受到广泛之利用。主要的化学合成生物分解性塑料计有polycaprolactone、 polylactic acid(聚乳酸) 与“Bionole”等三种产品。
Polycaproloctone在温度为150℃左右时，可以押出成形或射出成形，流动性亦佳，也可以注形法吹出成形为薄膜，或经熔融纺丝而形成纤维，可供作手术用缝合线。在日本已有Daicel化学工业正在进行polycaproloctone与纤维素系”Celgreen” 的商业化生产。
Polylactic acid比polycaprolactone不容易达成高分子量，因此聚乳酸不能采用开环聚合技术，乃针对乳酸系又开发出由乳酸的直接缩合法，利用此技术可将乳酸壁戳破。乳酸系生物分解性塑料的熔点比polycaprolactone高出许多，可应用为耐170~180℃的塑料材质；再者其亦具有生体适合性，可利用作成手术用缝合线，因此其开发是以工业材料为主要应用对象。目前美国的Cargill Dow Polymer公司拟以玉米为淀粉原料，计划在内布拉斯加州建设可年产14万公吨的工厂，预计于2001 年开始投产，商品名为”ECOPLA”。另外在日本也有乳酸系生物分解性塑料的商品化生产，如岛津制作所与三井化学二家公司；而大日本油墨化学工业的产品，则是将聚乳酸与脂肪族二羧酸(dicarbonic acid)与二元醇(diol)组成脂肪族聚酯，经过嵌段(block)共聚合的方法得到聚乳酸系共聚合聚酯。其它尚有多家公司虽然并未自行生产分解性材质，但是以从事聚乳酸的成形加工技术而参与此一领域。
“Bionole”是日本昭和高分子所开发的产品，将丁二醇与琥珀酸(succinic acid)经由脱水聚缩合反应，即可得到polybutylsuccinate。此聚合物的物性与加工性俱优，可以PE用的各种成形加工机作成薄膜、板状、瓶或纤维。此外，日本触媒公司则使用无水琥珀酸与环氧乙烷(ethyleneoxide)，利用开环聚合的方法而开发出polyethylenesuccinate，其薄膜性能特别优异。
除了上述三种类型产品外，尚有三菱瓦斯化学的脂肪族碳酸酯、德国Bayer由polybutyladipate与己内酰胺反应而成的polyesteramide，及BASF由1,4-丁二醇、己二酸、TPA(对苯二甲酸)、二羧酸等聚合而成的生物分解性塑料”Ecoflex”，正在进行市场的开拓。

三、市场预测
目前日本每年大约生产1,300万公吨的塑料，虽然很快的在短时间内即可达到1,500万公吨，然因景气不佳、国民消费能力减弱，再加上环保意识的提升而逐渐养成回收再用的习惯，长期看来其平均生产量将会维持在1,300万公吨左右。因此以生物分解性塑料约占有三成的潜在市场来估算，其生产量大约在400万公吨，而生物分解性塑料可以替代的树脂则大概是PE与PP。由目前的情形看来，虽然1999年日本的生产量大约只有2,000公吨，而全球则大约为2万公吨，但预测2000年以后其需求量将会急速成长。

[ Last edited by zhangwj on 2008-9-24 at 14:43 ]

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