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科学研发    

生物基塑料的应用趋势与研究

   

    随着人们对环境问题的日益关注,生物基塑料作为高分子材料、生命科学和机械工程等多学科交叉的前沿领域,正成为世界各国普遍重视的研究热点。美国能源部(DOE)预计到2020年,来自植物可再生资源的聚合物材料应用将增加到10%,而2050年更有可能达到50%。

 
    生物基塑料种类与原料

旧粮食制生物基塑胶制品的生产装置。

    生物基塑料与合成塑料材料相比,具有良好的生物相容性、生物可降解性且降解产物无毒副作用等优点。生物基塑料可以分为微生物类、天然物类和化学合成类三种类型。微生物类生物基塑料主要利用细菌、霉菌、藻类等微生物在代谢过程中体内积聚的聚酯类物质,生产的如聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)、微生物多糖等;天然物类生物基塑料主要包括壳聚糖/

表1:目前常用的生物基塑料列表

   纤维素、淀粉、醋酸纤维素、热塑性淀粉等;化学合成类生物基塑料由於利用化学生物法合成,因此组成和分子量都可以自由设计,产品种类众多,如硬质类如聚乳酸(PLA),软质类如聚己内酯(PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚(丁二醇丁二酸/己二酸酯)(PBSA)、聚(对苯二甲酸丁二醇酯-己二酸丁二醇脂)(PBAT)、聚乙烯醇(PVA)。

    目前以美国、日本为代表,正在进行生物基塑料生产原料的扩展研究。主要包括:(1)废弃物:如食品废弃物、餐厨垃圾、家畜排泄物、建筑废弃物、旧纸张等;(2)未利用废弃物:如农作物非食用部分、林地残留物等;(3)资源作物:如以能源、制品原料为目的的油脂植物、糖类作物等;(4)新类型作物:海洋植物、转基因植物等。从而减少目前生物基塑料对於粮食作物、经济作物的使用量,更好的发挥生物基塑料的环境友好性。 

图一

图二

    通过图1与图2的对比可以看出,生物基塑料的环境友好度明显大於常用的石油基塑料。加之具有良好的回收处理性能,在进一步拓宽原料来源,提高使用性能後,无疑将成为传统石油基塑料的重要替代材料。

    生物基塑料在日本的应用与研究进展

图3PC/PLA材料的应用(出处:富冈恒宪,2009年10月)

    从用途来说,生物基塑料主要应用於以下几个方面。(1)农业工程、土木工程材料;(2)生活垃圾回收袋;(3)食品的容器、包装;(4)非食品的容器、包装;(5)衣料纤维、生活用品;(6)电子设备;(7)办公设备;(8)汽车零部件;(9)医疗用品等。

    随着各国针对生物基塑料的研究不断深入,针对不同材料配方改进与加工制备方法的研究也随之更深入,体现出良好的发展趋势。

    替代PC/ABS的电子设备、办公设备部件制造

    日本富士公司研发的PC/PLA混合材料的阻燃性已能达到UL-94规格的最高等级标准,并成功解决了PC/PLA/阻燃剂混合後导致的成型难度加大、制品抗冲击性下降的问题,使得PC/PLA材料的加工条件与抗冲击性基本达到传统PC/ABS材料的性能。目前使用的PC/PLA材料中PLA含量已达到25%,并有望继续增加。该材料主要用於电子设备、办公设备外壳部件。

    替代PP的汽车内饰件部件制造

生物基塑料注射成型的汽车驾驶台内饰件

    汽车内饰部件对於材料的耐热性(100℃以上)、耐冲击性(>7kJ/m2)有较高的要求,目前多使用PP类石油基塑料材料。随着提升PLA结晶性能的新兴结晶剂的使用,通过在反应器中进行预反应处理,在不降低耐冲击性的基础上有效的提成耐热性,使得PLA注射制件的整体性能大幅提升,耐冲击性达到13kJ/m2,已经呈现出可以替换部分汽车内饰件PP材料的趋势。目前有多家汽车公司均在开展PLA材料研究,预计在2013年实现一定比例内饰件材料替代。

    替代石油基PE的容器、配管、胶片制造

图5资生堂公司的生物基PE材料制造容器试验(注:左边为生物基PE,右边为石油基PE)

     洗浴液的包装材料通常要求具有较好的耐冲击强度(坠落冲击)、耐药蚀性,和良好的手感,通常使用石油基PE材料经中空成型制造。目前资生堂公司已开始进行使用生物基PE材料制造包装容器的试验。试验显示,生物基PE材料的性能已基本达到石油基PE材料的性能,但生物基PE材料成本是石油基PE的1.3-1.5倍。如何有效降低成本是下一步研究的主要内容。

    日本Braskem公司计划从2011年开始生物基PE的正式生产,一方面替代HDPE材料制造硬质容器、配管类制品,另一方面替代LLDPE制造胶片类制品,计划年产量20万吨,其中5万吨在亚洲销售。

    替代PP的洋麻纤维/PP共混材料

图6 丰田纺织使用洋麻纤维/PP材料生产的汽车门把手

    丰田纺织公司近年开始尝试使用洋麻纤维材料制造汽车内饰部件。  

    该技术首先将洋麻纤维破碎成为直径5mm左右的颗粒,与PP粉料混合後进行注射成型,产品与单纯使用PP的产品相比,刚性强、收缩率小。在洋麻纤维的含量达到60%的情况下,洋麻纤维/PP混合料流动性与PP基本相近。在注射件长度1米左右时,成型效果良好。在全球金融危机的影响下,高价格的汽车销量有所下降,为洋麻纤维/PP材料的应用提供了契机,可以更好的发挥其价格低、外观好的优点。

    陈旧/废弃粮食基塑料制造

    废弃粮食包括由於存储时间过长、霉变的粮食,也包括食品工业加工的废弃料。为了对这些陈旧/废弃粮食进行有效利用,使用这些材料制造生物基塑料便成为了较好的处理方法。通过将粮食粉末与PE、PP混合,制备仿木材料、托盘、食器等制品。

图7陈旧粮食含量70%的仿木材料

   使用废弃粮食制备制品,根据加工成型工艺不同,温度与含粮食率各不相同。一般来说废弃粮食的含水率较大,当温度达到140℃时,混合材料中的水分开始挥发。但当温度超过180℃时,粮食成分会出现焦烧、变色现象,导致制品质量劣化。因此加工温度必须严格控制在140-160℃间,进行低温加工。

    混合材料使用不同的加工方法,能达到的最大粮食成分含量各不相同。一般来说,异型材挤出成型含量最高可达70%左右,注射成型含量约为50%-70%,板材挤出成型含量约为50%,压膜成型含量约为50%,吹膜成型含量约为35%。

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