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全生物降解塑料技术在降解塑料行业中的竞争力分析

2019-02-20 01:30:50 BY: 浏览:

全生物降解塑料技术在降解塑料行业中的竞争力分析

目前,国内外除生态全生物降解塑料技术外,对降解塑料的研究方向还包括填充型(淀粉)降解塑料、光降解塑料、完全生物降解塑料三大类,其技术发展现状和趋势如下:
(1)淀粉填充型降解塑料
淀粉填充型降解塑料是通过在生产过程中向普通塑料中加入易降解成分淀粉得到的。通过淀粉的掺入,可以赋予材料部分降解的性能。
①降解原理及优势:
淀粉填充型降解塑料的降解过程为部分降解,其体系中的淀粉成分具有良好的生物降解性能,在降解过程中在微生物的作用下被分解。体系中淀粉降解的结果导致材料整体力学性质大幅度降低而崩溃成碎片或呈网架式结构,残留的塑料仍以一种低强度的多孔结构的形态继续存在,随后发生结构崩解,形成微小的塑料碎片。淀粉填充型降解塑料具有原料来源广、成本低的优点。
②技术缺陷:
由于聚烯烃与淀粉不兼容,即使对淀粉进行改性,也存在混掺后强度差、透光性差、降解时间不可控等问题,在实际的应用中受到诸多限制。更重要的是,其降解结果是仅淀粉部分发生有效降解,塑料部分发生结构上的崩解,为物理变化过程,导致塑料难以生物降解的高分子量和疏水性则未发生变化。最终的降解结果是高分子量的塑料成分崩解形成微塑料颗粒,混杂在土壤和水体中,极难清除,并随食物链进入动物体内,最终威胁人类的食品安全。由于加工工艺和材料性能的限定,淀粉填充型塑料中淀粉的掺入量通常无法超过30%,其余部分均为高分子量的塑料基材。若该类材料大量使用,必然导致更为严重的微塑料污染。
(2)光降解塑料
①降解原理:
聚合物通过光的物理吸收过程而引起光化学反应,脱出聚合物分子链上的氢原子而形成自由基。通常形成的自由基在有氧存在的条件下便发生氧化反应,形成过氧化基团以维持降解过程。过氧化基团和氢原子作用形成过氧化氢并脱出。过氧化物只需吸收光线中比紫外线稍低的能量,通过聚合物中残留的微量金属的催化作用很快便可分解。常用的光敏剂有过渡金属络合物、硬脂酸盐、N,N- 二丁基二硫代氨基甲酸铁等。另外可以根据添加剂本身所具有的光催化氧化作用以及氧化还原作用来促进聚合物的光降解。该方法与传统塑料加工工艺兼容,只需在生产过程中向普通塑料中添加光敏剂即可,操作简单、制备容易、生产成本较低、强度较好。
②技术缺陷:
塑料制品的生产需经热加工,有机光敏剂在加热过程中极易发生降解,从而严重影响降解效果。此外,光降解塑料的降解速度比较难以控制,其降解过程影响因素众多,此外也无法控制光降解发生的时间和周期。这一缺陷对其在农用地膜领域的应用影响尤其显著。以光降解地膜为例,农田中光照、灌溉、作物遮阴以及农事操作等的影响导致其降解过程难以控制,且埋土部分无法接受光照,不能发生降解。而作为农业中非常重要的生产资料,一旦地膜出现提前降解的问题,会严重影响作物生长,使产量大大降低,影响农民收入。
(3)完全生物降解塑料
完全生物降解塑料不含或很少含有聚烯烃类物质,主要是由天然高分子(如淀粉、纤维素、甲壳质)或农副产品经微生物发酵或合成具有生物降解性的高分子制得,如热塑性淀粉塑料、脂肪族聚酯、聚乳酸、淀粉/聚乙烯醇等均属这类塑料,其降解产物可成为微生物的营养源而能被完全消化。
①降解原理:
当前经过多年的市场筛选,被普遍认为具有研究价值和应用前景的全生物降解塑料主要包括:聚己内酯(PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)及其共聚物、聚乳酸(PLA)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)、聚羟基烷酸酯(PHA)。其中,聚乳酸由于原料来源广且价格低廉,同时还能缓解当前国内玉米产量过剩问题,受到了广泛的关注。目前已有多家企业投产PLA及其制品产线。完全生物降解塑料的优点在于:一方面其原料来源于生物基,不消耗石化资源。另一方面在于其完全降解性,可在一定条件下被微生物彻底分解为二氧化碳和水,被自然界完全消纳,被认为是解决白色污染的理想途径。
②技术缺陷:
目前全生物降解塑料的种类较多,其性能不尽相同,也各自存在不足之处。较普遍的缺陷主要必须表现在以下几个方面:使用性能、降解可控性、加工性能和成本。使用性能方面,虽然通过改性、混掺等工艺使其拉伸性能、强度有了明显改善,但其性能与聚乙烯等传统塑料间仍存在诸多差距。全生物降解塑料受性能限制,仍难以实现6μm及更低厚度薄膜的吹制;隔水性能差,水蒸气透过率远高于聚乙烯薄膜。这些缺陷严重限制了其在食品包装、农用地膜领域的应用。加工性能方面,全生物降解塑料存在质脆、抗溶剂性差和耐热性差的缺陷,对加工工艺要求较高,生产成品率低。降解性能方面的不足则主要是表现为其降解过程受水分、温度、光照、PH的综合影响,降解开始时间、降解周期难以控制,作为地膜等时控性产品材料具有较高的风险。此外,全生物降解塑料目前成本仍比较高(3-8万元/吨),使用成本远高于传统塑料,推广应用阻力较大。
相对于其他技术,生态全生物降解塑料技术具有降解时间可控,物理性能好,价格适中的特点,相对于同行业其他技术具有一定的优势。

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