生物塑料

生物塑料是由可再生生物质资源生产的塑料，例如植物油脂、玉米淀粉、稻草、木片、锯末、回收的食物垃圾等。生物塑料可以由农业副产品制成以及使用过的塑料瓶和其他使用微生物的容器。普通塑料，例如化石燃料塑料（也称为石油基聚合物）是从石油或天然气中提取的。并非所有生物塑料都比商品化石燃料衍生的塑料更容易生物降解或生物降解。生物塑料通常衍生自糖衍生物，包括淀粉、纤维素和乳酸。截至2014年，生物塑料约占全球聚合物市场的0.2％。

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生物塑料用于一次性物品，例如包装、陶器、餐具、盆、碗和吸管。生物塑料的商业应用很少。原则上，它们可以替代石油衍生塑料的许多应用，但是成本和性能仍然存在问题。实际上，只有在限制常规塑料使用的特定法规的支持下，它们的使用才具有经济上的优势。典型的例子是意大利，自2011年以来，随着一项具体法律的出台，可生物降解的塑料袋和购物者成为强制性行为。除结构材料外，还在开发电活性生物塑料，有望将其用于携带电流。

生物聚合物可用作纸张涂料，而不是更常见的石化涂料。

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热塑性淀粉目前是使用最广泛的生物塑料，约占生物塑料市场的50％。通过淀粉糊化和溶液浇铸可以在家制作简单的淀粉生物塑料薄膜。纯淀粉能够吸收湿气，因此是制药行业生产胶囊的合适材料。但是，纯淀粉基生物塑料很脆。也可以加入增塑剂，例如甘油，乙二醇和山梨糖醇，这样淀粉也可以进行热塑加工。可以通过调节这些添加剂的量来调整所得生物塑料（也称为“热塑性淀粉”）的特性，以满足特定需求。可以使用常规的聚合物加工技术将淀粉加工成生物塑料，例如挤出、注塑、压塑和溶液浇铸。淀粉生物塑料的特性在很大程度上受直链淀粉 / 支链淀粉比率的影响。通常，高直链淀粉可以产生更好的机械性能。但是，由于直链淀粉的糊化温度较高和熔体粘度较高，因此其加工性能较差。

淀粉基生物塑料往往混有生物降解聚酯，以产生淀粉/聚乳酸、淀粉/ 聚己内酯或淀粉/ Ecoflex树脂（聚己二酸丁二醇酯-共-对苯二甲酸乙二醇酯由BASF生产）的共混物。这些混合物用于工业应用，也可堆肥。其他生产商也开发了其他淀粉/ 聚烯烃共混物。这些共混物不可生物降解，但与用于相同应用的石油基塑料相比，碳足迹更低。

由于其原料的来源，淀粉便宜、丰富且可再生。

淀粉基塑料是淀粉与可生物降解或可堆肥的塑料（例如聚乳酸、聚己二酸丁二醇酯、对苯二甲酸酯、聚丁二酸琥珀酸酯聚己内酯和聚羟基链烷酸酯）的复杂混合物。这些复杂的混合物改善了耐水性以及加工和机械性能。

淀粉基薄膜（主要用于包装目的）主要由淀粉与热塑性聚酯共混制成可生物降解和可堆肥的产品。这些薄膜特别用于杂志包装和气泡薄膜的消费品包装中。在食品包装中，这些薄膜被视为面包店或水果和蔬菜袋。带有这种薄膜的堆肥袋用于选择性收集有机废物。此外，农业研究服务公司的科学家开发了一种新的淀粉基薄膜，甚至可以用作纸张。

淀粉基纳米复合材料已得到广泛研究，显示出改善的机械性能、热稳定性、耐湿性和阻气性。

纤维素生物塑料主要是纤维素酯（包括醋酸纤维素和硝化纤维素）及其衍生物，包括赛璐oid。

纤维素经过大量改性后可以变成热塑性的。醋酸纤维素就是一个例子，它很昂贵，因此很少用于包装。但是，由于淀粉的亲水性不如淀粉，因此添加到淀粉中的纤维素纤维可以改善机械性能，透气性和耐水性。

上海大学的一个小组能够通过一种称为热压的方法来构建一种基于纤维素的新型绿色塑料。

生物塑料可以由不同来源的蛋白质制成。例如，小麦面筋和酪蛋白作为不同生物可降解聚合物的原料显示出令人鼓舞的特性。

另外，大豆蛋白被认为是生物塑料的另一种来源。大豆蛋白已经用于塑料生产一百多年了。例如，原始福特汽车的车身面板由大豆基塑料制成。

由于其对水的敏感性和相对较高的成本，使用基于大豆蛋白的塑料存在困难。因此，生产大豆蛋白与一些已经可用的可生物降解的聚酯的共混物改善了水敏感性和成本。

脂肪族生物聚酯主要是聚羟基链烷酸酯（PHA），如聚3-羟基丁酸酯（PHB）、聚羟基戊酸酯（PHV）和聚羟基己酸酯（PHH）。

聚乳酸（PLA）是由玉米或葡萄糖制成的透明塑料。从表面上看，它类似于传统的基于石化的块状塑料，如PS。它具有降解为无毒产品的独特优势。不幸的是，它表现出较差的冲击强度，热强度和阻隔性能（阻碍空气通过膜的传输）。PLA和PLA共混物通常以具有各种特性的颗粒形式出现，并在塑料加工工业中用于生产薄膜、纤维、塑料容器、杯子和瓶子。PLA也是家用塑料丝的最常见类型熔融沉积建模。

所述生物聚合物的聚-3-羟基丁酸酯（PHB）是一种聚酯由某些细菌处理葡萄糖，玉米淀粉生产的或废水。它的特性类似于石塑聚丙烯的特性。PHB生产正在增加。在南美制糖行业为例，已经决定PHB产量扩大到工业规模。PHB的主要特点是其物理特性。它可以加工成熔点高于130摄氏度的透明薄膜，并且可以生物降解而没有残留物。

聚羟基烷酸酯是线性的聚酯通过在自然界中产生的细菌发酵的糖或脂质。它们是由细菌产生的，用以储存碳和能量。在工业生产中，通过优化糖的发酵条件，从细菌中提取和纯化聚酯。该系列中可以组合150多种不同的单体，以提供具有极其不同性质的材料。与其他塑料相比，PHA更具延展性和弹性，而且还可以生物降解。这些塑料被广泛用于医疗行业。

PA 11是衍生自天然油的生物聚合物。它也以商品名Rilsan B已知，由Arkema商业出售。PA 11属于技术聚合物家族，不可生物降解。它的特性类似于PA 12的特性，但是在生产过程中减少了温室气体的排放和不可再生资源的消耗。它的耐热性也优于PA12。它用于高性能应用，例如汽车燃油管线、气动刹车油管、电缆防白蚁护套、柔性油气管道、控制流体脐带、运动鞋、电子设备组件和导管。

一种类似的塑料是聚酰胺410（PA 410），由蓖麻油衍生70％，商品名为EcoPaXX，由DSM商业化。PA 410是一种高性能聚酰胺，兼具高熔点（约250°C），低吸湿性和对各种化学物质的优异耐受性的优点。

聚乙烯的基本结构单元是乙烯。乙烯在化学上类似于乙醇，并且可以衍生自乙醇，乙醇可以通过农业原料（例如甘蔗或玉米）的发酵来生产。生物衍生的聚乙烯在化学和物理上与传统的聚乙烯相同-它不会生物降解，但可以回收。巴西化工集团Braskem声称，利用其从甘蔗乙醇生产聚乙烯的方法，捕集（从环境中去除）2.15吨二氧化碳每吨生产的绿色聚乙烯。

由于转基因玉米是一种常见的原料，因此某些生物塑料是由此制成的，这一点不足为奇。

在生物塑料制造技术下，存在“植物工厂”模型，该模型使用转基因作物或转基因细菌来优化效率。

近来，人们非常重视生产生物基和不含异氰酸酯的聚氨酯。一个这样的例子利用了多胺与环状碳酸酯之间的自发反应来生产聚异羟乙烷。与传统的交联聚氨酯不同，已证明交联的聚羟基聚氨酯能够通过动态的氨基甲酸酯化反应进行回收和再加工。

从植物和动物衍生的油脂中合成了许多生物塑料类别。聚氨酯、聚酯、环氧树脂和许多其他类型的聚合物已开发出与原油基材料可比的性能。烯烃复分解的最新发展为将多种原料经济地转化为生物单体和聚合物打开了大门。随着传统植物油以及低成本微藻衍生油的生产不断增长，在该地区具有巨大的增长潜力。

淀粉、纤维素、木材、糖和生物质等材料被用来代替化石燃料资源来生产生物塑料。与传统的塑料生产相比，这使生物塑料的生产更具可持续性。生物塑料对环境的影响经常引起争议，因为“绿色”有许多不同的衡量标准（例如，用水、能源使用、森林砍伐、生物降解等）。因此，生物塑料对环境的影响可分为不可再生能源使用，气候变化、富营养化和酸化。生物塑料的生产xxx减少了温室气体的排放并减少了不可再生能源的消耗。全世界的公司也将能够通过使用生物塑料来提高其产品的环境可持续性尽管与常规塑料相比，生物塑料可节省更多的不可再生能源，并且排放的温室气体更少，但生物塑料还具有对环境的负面影响，例如富营养化和酸化。生物塑料比常规塑料具有更高的富营养化潜力。工业化生产过程中的生物质生产导致硝酸盐和磷酸盐过滤到水体中；这会导致富营养化，即富水过程中营养过剩的过程。富营养化对世界各地的水资源构成威胁，因为它引起有害的藻华繁殖，形成氧气死区，杀死水生动物。生物塑料还可以增加酸化作用。由生物塑料引起的富营养化和酸化的高度增加也是由于在可再生原料的生产中使用化学肥料生产生物塑料而引起的。

与传统塑料相比，生物塑料的其他环境影响包括对人类和陆地的生态毒性和致癌潜力较低。但是，生物塑料比常规材料具有更高的水生生态毒性。与传统塑料相比，生物塑料和其他生物基材料增加了平流层臭氧消耗；这是在工业化生产生物质的农业过程中施肥期间一氧化二氮排放的结果。人工肥料会增加一氧化二氮的排放，尤其是当作物不需要所有氮素时。生物塑料对环境的轻微影响包括在用于制造生物塑料的农作物上使用农药引起的毒性。生物塑料还导致收割车排放二氧化碳。其他较小的环境影响包括用于生物质耕种的高耗水量、土壤侵蚀、土壤碳损失和生物多样性的丧失，它们主要是与生物塑料相关的土地利用的结果。用于生物塑料生产的土地使用会导致碳封存损失并增加碳成本，同时将土地从其现有用途中转移出去。

尽管生物塑料具有极大的优势，因为它们减少了不可再生的消耗和温室气体的排放，但它们也通过使用农药和肥料，富营养化和酸化而消耗土地和水，对环境产生了不利影响。因此，人们对生物塑料还是常规塑料的偏好取决于人们认为对环境最重要的影响。

生物塑料的另一个问题是某些生物塑料是由农作物的可食用部分制成的。这使得生物塑料与食品生产竞争，因为生产生物塑料的农作物也可以用来养活人们。这些生物塑料被称为“xxx代原料生物塑料”。第二代原料生物塑料使用非粮食作物（纤维素原料）或xxx代原料中的废料（例如植物油废料）。第三代原料生物塑料使用藻类作为原料。

任何塑料的生物降解都是在固/液界面发生的过程，液相中的酶使固相解聚。生物塑料和含有添加剂的常规塑料都能够生物降解。生物塑料能够在不同的环境中生物降解，因此它们比常规塑料更容易被接受。生物塑料的生物降解性发生在各种环境条件下，包括土壤，水生环境和堆肥。生物聚合物或生物复合物的结构和组成都会对生物降解过程产生影响，因此改变组成和结构可能会提高生物降解性。土壤和堆肥由于其较高的微生物多样性而在生物降解方面更为有效。堆肥不仅有效地降解了生物塑料，而且还xxx减少了温室气体的排放。通过添加更多的可溶性糖和提高温度，可以提高堆肥环境中生物塑料的生物降解性。另一方面，土壤环境具有高度的微生物多样性，因此更容易发生生物塑料的生物降解。但是，土壤环境中的生物塑料需要更高的温度和更长的时间才能生物降解。一些生物塑料在水体和海洋系统中更有效地生物降解；但是，这会对海洋生态系统和淡水造成危险。因此，可以得出准确的结论是，水体中生物塑料的生物降解导致水生生物和不健康水的死亡可以被视为生物塑料的负面环境影响之一。

尽管整个有机化学都是在20世纪由化学公司生产的，但是xxx家专注于生物塑料的公司Marlborough Biopolymers成立于1983年。然而，随后的Marlborough和其他合资企业未能获得商业上的成功，xxx个为确保长期财务成功的公司是成立于1989年的意大利公司Novamont。

与基于石化的塑料相比，研究和测试新型生物基和可生物降解聚合物的费用和时间要求使生物塑料处于商业劣势。生物塑料仍然不到全球制造的所有塑料的1％，直到最近，制造成本平均比石化塑料高2-4倍。大多数生物塑料尚未节省比制造它们所需的更多的碳排放量。最后，该行业在物质来源和废物处置基础设施方面都面临物流问题。由于大多数生物塑料都是由植物糖，淀粉或油制成的，因此，用生物基塑料替代每年制造的2.5亿吨塑料，估计将需要1亿公顷土地，占地球耕地的7％ 。而且，当生物塑料达到其生命周期的尽头时，由于缺乏适当的堆肥设施或废物分类，通常将那些可堆肥并以可生物降解形式销售的塑料通常送入垃圾填埋场，然后在厌氧分解时释放出甲烷。尽管如此，生物塑料行业仍以每年20-30％的速度增长。BCC Research预测，到2012年，全球可生物降解聚合物市场的复合平均增长率将超过17％，而这一增长率实际上已经被超过。预计到2020年，生物基塑料将占所有人造塑料的5％，到2030年将占所有人造塑料的40％。Ceresana预测，到2020年，当生物塑料达到塑料市场的5％时，生物基塑料将价值58亿美元，是2014年生物塑料市场规模的三倍。生物塑料的xxx需求一直在包装中，这是由于人们广泛关注在一次性使用的一次性产品中使用石化塑料，然后将其隔离在垃圾填埋场或自然环境中。包装继续为生物塑料提供60％的市场，并在该行业的增长中占据xxx份额。市场对生物塑料（尤其是可持续包装）需求增加的转变。特别是在西欧，这种情况在2014年占全球可生物降解塑料需求的45％以上。最近的政策中也看到了消费者对更可持续选择的需求。意大利已禁止使用石油基塑料袋，德国对使用石油基塑料袋也要征税。

但是，生物基聚合物行业的发展速度没有某些人预期的那样快。NNFCC预测，到2013年，该行业的年产量将超过210万吨，但到2017年，该年仅生产205万吨的生物塑料。这仅占所有塑料制造业的一小部分，2015年塑料总产量为2.92亿吨。随着生产的扩大，目前还没有关于生物塑料及其制造或处置的通用标准。这包括对产品作为生物塑料销售所需的可持续来源材料的数量没有任何规定。根据市场和市场，全球可生物降解塑料市场才刚刚起步，仅占整个塑料市场的不到1％。

由于市场分散且定义不明确，很难描述生物塑料的总市场规模，但据估计全球生产能力为327,000吨。相比之下，全球xxx的石化衍生聚烯烃-聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）的全球产量在2015年估计超过1.5亿吨。