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傳統塑料的絕佳替代品——PHA生物基可降解塑料

2021-06-04  來源:工程塑料應用

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聚羥基烷酸酯(PHA)這一傳統塑料的最佳替代品正面臨著巨大的潛在市場。


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01

性能

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在人們的固有印象中,生物降解塑料只是一個概念化的物品,綜合性能遠不及傳統的石油基塑料。然而隨著生物技術的發展,這種觀念正在逐漸被刷新。

 

PHA是一種天然酯類物質。在自然界中,許多微生物都有一種特性,即在生長條件不平衡時,比如缺乏氮、磷、氧等營養元素,體內為了應付食物緊張就會儲存一些原料,這些聚合物就是天然酯類,它可以被許多細菌激活,導致快速降解。

PHA生物基可降解塑料則完全以可再生資源——淀粉為原料,利用上述特種微生物,通過一系列酶工程、發酵工程,合成可完全分解至二氧化碳和水的高分子材料,并可與石油化工樹脂性能相媲美。

PHA生物基可降解塑料具有化學合成塑料的一些性質,其性能如下:

 

斷裂伸長率:5%(23℃)

懸臂梁無缺口沖擊強度:37 J/m

拉伸強度:20 MPa(23℃)

 

熱變形溫度:110℃( 0.45MPa 未退火)

熱變形溫度 能57℃(1.80MPa 未退火)

熔融溫度 167.5 ℃

PHA可以用于高溫注塑、拉絲、壓膜等,還兼具很好的生物分解性,因此被科學家們視為“白色污染”的有效替代品。

 

清華大學生命科學學院教授陳國強認為,與大家熟知的聚乳酸等生物基材料相比,PHA的顯著優點在于,能通過結構調節使最終產品應用于不同領域,而支撐這種優點的就是其單體的多樣性。

 

據介紹,早在2000年,人們就已發現了超過150種的PHA單體。單體結構變化以及共聚物中不同單體比例的不同,也給PHA結構變化帶來了無限可能。

 

通過調整單體配比,PHA產品性能可以橫跨纖維、塑料、橡膠、熱熔膠等不同范疇,加上PHA兼具良好的生物相容性,其應用領域已不局限在單一的塑料制品,還可以在農藥緩釋劑、高性能生化濾膜、醫藥緩釋長效藥物載體以及骨釘、手術縫合線、人體整形填充材料等方面大顯身手。

 

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原料生產水平領先

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業內專家表示,PHA已經成為生物材料領域最為活躍的研究熱點,我國在PHA研究方面介入較早,目前處于世界先進水平。

寧波天安生物材料有限公司是目前全世界生產PHA規模較大的企業,目前已達到2000 t/a的生產能力。該公司在成為全球重要PHA原料生產基地的同時,也正積極探索著具體產品應用的路徑。該公司就實現了第二代生物塑料PHBV(聚羥基丁酸—戊酸酯)的工業化生產,至今為全球范圍內能實現量產的企業。

PHBV是一種PHA的共聚物,分子量達30萬以上,可使用普通的塑料加工機械進行加工。由于采用化學溶劑提取細菌體內物質成本高昂,且有化學物殘留的問題,采用了“水相提取法”,僅用常溫水就可以提取。

據了解,水相提取法的具體過程就是通過加入一些環保“助劑”使細胞裂解破碎,蛋白質水解使得菌體中的PHA微粒直接釋放在水中,再經過沉淀、過濾后就可以得到產品。

由于這種材料在堆肥、土壤、海水等環境中都能完全分解,另外還具有很好的生物相容性以及對水、氣的高阻隔,這使得PHBV成為上好的人體組織工程材料,能夠用作醫用縫線、骨釘等,此外還可用作農用地膜、購物袋、餐具以及食品包裝材料等。

目前,水相提取法已經取得了中國、美國、日本、澳大利亞等國的專利授權,生產技術領先于國際水平。

如今,PHBV制品的生產工藝進一步開發,涉足較多的便是注塑產品,如高爾夫球托、一次性餐具等,其它還有薄膜、板材、吸塑包裝等。

 

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市場發展
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我國生物基材料原材料的生產技術雖然已經處于國際領先地位,但開發的終端產品仍大多主要在低端市場競爭。

生物降解塑料應該占領塑料行業的頂端市場,而不是底層低端市場。從全行業的產量來看,應該將其應用集中或主要放在高附加值的終端產品上,比如高端儀器設備、高檔服裝等的外包裝袋,而不應該是量大利薄的垃圾袋。

國內生物基材料產業雖然存在一定問題,但整個產業仍然顯現出快速發展態勢。隨著歐美發達國家有關環保政策出臺,生物基材料產品的出口量也將成倍增加。

2020年,生物降解包裝在整個塑料包裝中的市場份額提升至20%左右。一個巨大的潛在市場正在向生物降解塑料敞開大門。

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