传统塑料的绝佳替代品——PHA生物基可降解塑料

2021-06-04  来源:工程塑料应用

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聚羟基烷酸酯(PHA)这一传统塑料的最佳替代品正面临着巨大的潜在市场。


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性能

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在人们的固有印象中,生物降解塑料只是一个概念化的物品,综合性能远不及传统的石油基塑料。然而随着生物技术的发展,这种观念正在逐渐被刷新。

 

PHA是一种天然酯类物质。在自然界中,许多微生物都有一种特性,即在生长条件不平衡时,比如缺乏氮、磷、氧等营养元素,体内为了应付食物紧张就会储存一些原料,这些聚合物就是天然酯类,它可以被许多细菌激活,导致快速降解。

PHA生物基可降解塑料则完全以可再生资源——淀粉为原料,利用上述特种微生物,通过一系列酶工程、发酵工程,合成可完全分解至二氧化碳和水的高分子材料,并可与石油化工树脂性能相媲美。

PHA生物基可降解塑料具有化学合成塑料的一些性质,其性能如下:

 

断裂伸长率:5%(23℃)

悬臂梁无缺口冲击强度:37 J/m

拉伸强度:20 MPa(23℃)

 

热变形温度:110℃( 0.45MPa 未退火)

热变形温度 能57℃(1.80MPa 未退火)

熔融温度 167.5 ℃

PHA可以用于高温注塑、拉丝、压膜等,还兼具很好的生物分解性,因此被科学家们视为“白色污染”的有效替代品。

 

清华大学生命科学学院教授陈国强认为,与大家熟知的聚乳酸等生物基材料相比,PHA的显著优点在于,能通过结构调节使最终产品应用于不同领域,而支撑这种优点的就是其单体的多样性。

 

据介绍,早在2000年,人们就已发现了超过150种的PHA单体。单体结构变化以及共聚物中不同单体比例的不同,也给PHA结构变化带来了无限可能。

 

通过调整单体配比,PHA产品性能可以横跨纤维、塑料、橡胶、热熔胶等不同范畴,加上PHA兼具良好的生物相容性,其应用领域已不局限在单一的塑料制品,还可以在农药缓释剂、高性能生化滤膜、医药缓释长效药物载体以及骨钉、手术缝合线、人体整形填充材料等方面大显身手。

 

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原料生产水平领先

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业内专家表示,PHA已经成为生物材料领域最为活跃的研究热点,我国在PHA研究方面介入较早,目前处于世界先进水平。

宁波天安生物材料有限公司是目前全世界生产PHA规模较大的企业,目前已达到2000 t/a的生产能力。该公司在成为全球重要PHA原料生产基地的同时,也正积极探索着具体产品应用的路径。该公司就实现了第二代生物塑料PHBV(聚羟基丁酸—戊酸酯)的工业化生产,至今为全球范围内能实现量产的企业。

PHBV是一种PHA的共聚物,分子量达30万以上,可使用普通的塑料加工机械进行加工。由于采用化学溶剂提取细菌体内物质成本高昂,且有化学物残留的问题,采用了“水相提取法”,仅用常温水就可以提取。

据了解,水相提取法的具体过程就是通过加入一些环保“助剂”使细胞裂解破碎,蛋白质水解使得菌体中的PHA微粒直接释放在水中,再经过沉淀、过滤后就可以得到产品。

由于这种材料在堆肥、土壤、海水等环境中都能完全分解,另外还具有很好的生物相容性以及对水、气的高阻隔,这使得PHBV成为上好的人体组织工程材料,能够用作医用缝线、骨钉等,此外还可用作农用地膜、购物袋、餐具以及食品包装材料等。

目前,水相提取法已经取得了中国、美国、日本、澳大利亚等国的专利授权,生产技术领先于国际水平。

如今,PHBV制品的生产工艺进一步开发,涉足较多的便是注塑产品,如高尔夫球托、一次性餐具等,其它还有薄膜、板材、吸塑包装等。

 

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03


市场发展
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我国生物基材料原材料的生产技术虽然已经处于国际领先地位,但开发的终端产品仍大多主要在低端市场竞争。

生物降解塑料应该占领塑料行业的顶端市场,而不是底层低端市场。从全行业的产量来看,应该将其应用集中或主要放在高附加值的终端产品上,比如高端仪器设备、高档服装等的外包装袋,而不应该是量大利薄的垃圾袋。

国内生物基材料产业虽然存在一定问题,但整个产业仍然显现出快速发展态势。随着欧美发达国家有关环保政策出台,生物基材料产品的出口量也将成倍增加。

2020年,生物降解包装在整个塑料包装中的市场份额提升至20%左右。一个巨大的潜在市场正在向生物降解塑料敞开大门。