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科學研發    

生物基塑料的應用趨勢與研究

   

    隨著人們對環境問題的日益關注,生物基塑料作為高分子材料、生命科學和機械工程等多學科交叉的前沿領域,正成為世界各國普遍重視的研究熱點。美國能源部(DOE)預計到2020年,來自植物可再生資源的聚合物材料應用將增加到10%,而2050年更有可能達到50%。

 
    生物基塑料種類與原料

舊糧食制生物基塑膠制品的生產裝置。

    生物基塑料與合成塑料材料相比,具有良好的生物相容性、生物可降解性且降解產物無毒副作用等優點。生物基塑料可以分為微生物類、天然物類和化學合成類三種類型。微生物類生物基塑料主要利用細菌、霉菌、藻類等微生物在代謝過程中體內積聚的聚酯類物質,生產的如聚羥基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)、微生物多糖等;天然物類生物基塑料主要包括殼聚糖/

表1:目前常用的生物基塑料列表

   纖維素、淀粉、醋酸纖維素、熱塑性淀粉等;化學合成類生物基塑料由於利用化學生物法合成,因此組成和分子量都可以自由設計,產品種類眾多,如硬質類如聚乳酸(PLA),軟質類如聚己內酯(PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚(丁二醇丁二酸/己二酸酯)(PBSA)、聚(對苯二甲酸丁二醇酯-己二酸丁二醇脂)(PBAT)、聚乙烯醇(PVA)。

    目前以美國、日本為代表,正在進行生物基塑料生產原料的擴展研究。主要包括:(1)廢棄物:如食品廢棄物、餐廚垃圾、家畜排泄物、建筑廢棄物、舊紙張等;(2)未利用廢棄物:如農作物非食用部分、林地殘留物等;(3)資源作物:如以能源、制品原料為目的的油脂植物、糖類作物等;(4)新類型作物:海洋植物、轉基因植物等。從而減少目前生物基塑料對於糧食作物、經濟作物的使用量,更好的發揮生物基塑料的環境友好性。 

圖一

圖二

    通過圖1與圖2的對比可以看出,生物基塑料的環境友好度明顯大於常用的石油基塑料。加之具有良好的回收處理性能,在進一步拓寬原料來源,提高使用性能後,無疑將成為傳統石油基塑料的重要替代材料。

    生物基塑料在日本的應用與研究進展

圖3PC/PLA材料的應用(出處:富岡恒憲,2009年10月)

    從用途來說,生物基塑料主要應用於以下幾個方面。(1)農業工程、土木工程材料;(2)生活垃圾回收袋;(3)食品的容器、包裝;(4)非食品的容器、包裝;(5)衣料纖維、生活用品;(6)電子設備;(7)辦公設備;(8)汽車零部件;(9)醫療用品等。

    隨著各國針對生物基塑料的研究不斷深入,針對不同材料配方改進與加工制備方法的研究也隨之更深入,體現出良好的發展趨勢。

    替代PC/ABS的電子設備、辦公設備部件制造

    日本富士公司研發的PC/PLA混合材料的阻燃性已能達到UL-94規格的最高等級標準,并成功解決了PC/PLA/阻燃劑混合後導致的成型難度加大、制品抗沖擊性下降的問題,使得PC/PLA材料的加工條件與抗沖擊性基本達到傳統PC/ABS材料的性能。目前使用的PC/PLA材料中PLA含量已達到25%,并有望繼續增加。該材料主要用於電子設備、辦公設備外殼部件。

    替代PP的汽車內飾件部件制造

生物基塑料注射成型的汽車駕駛臺內飾件

    汽車內飾部件對於材料的耐熱性(100℃以上)、耐沖擊性(>7kJ/m2)有較高的要求,目前多使用PP類石油基塑料材料。隨著提升PLA結晶性能的新興結晶劑的使用,通過在反應器中進行預反應處理,在不降低耐沖擊性的基礎上有效的提成耐熱性,使得PLA注射制件的整體性能大幅提升,耐沖擊性達到13kJ/m2,已經呈現出可以替換部分汽車內飾件PP材料的趨勢。目前有多家汽車公司均在開展PLA材料研究,預計在2013年實現一定比例內飾件材料替代。

    替代石油基PE的容器、配管、膠片制造

圖5資生堂公司的生物基PE材料制造容器試驗(注:左邊為生物基PE,右邊為石油基PE)

     洗浴液的包裝材料通常要求具有較好的耐沖擊強度(墜落沖擊)、耐藥蝕性,和良好的手感,通常使用石油基PE材料經中空成型制造。目前資生堂公司已開始進行使用生物基PE材料制造包裝容器的試驗。試驗顯示,生物基PE材料的性能已基本達到石油基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內容。

    日本Braskem公司計劃從2011年開始生物基PE的正式生產,一方面替代HDPE材料制造硬質容器、配管類制品,另一方面替代LLDPE制造膠片類制品,計劃年產量20萬噸,其中5萬噸在亞洲銷售。

    替代PP的洋麻纖維/PP共混材料

圖6 豐田紡織使用洋麻纖維/PP材料生產的汽車門把手

    豐田紡織公司近年開始嘗試使用洋麻纖維材料制造汽車內飾部件。  

    該技術首先將洋麻纖維破碎成為直徑5mm左右的顆粒,與PP粉料混合後進行注射成型,產品與單純使用PP的產品相比,剛性強、收縮率小。在洋麻纖維的含量達到60%的情況下,洋麻纖維/PP混合料流動性與PP基本相近。在注射件長度1米左右時,成型效果良好。在全球金融危機的影響下,高價格的汽車銷量有所下降,為洋麻纖維/PP材料的應用提供了契機,可以更好的發揮其價格低、外觀好的優點。

    陳舊/廢棄糧食基塑料制造

    廢棄糧食包括由於存儲時間過長、霉變的糧食,也包括食品工業加工的廢棄料。為了對這些陳舊/廢棄糧食進行有效利用,使用這些材料制造生物基塑料便成為了較好的處理方法。通過將糧食粉末與PE、PP混合,制備仿木材料、托盤、食器等制品。

圖7陳舊糧食含量70%的仿木材料

   使用廢棄糧食制備制品,根據加工成型工藝不同,溫度與含糧食率各不相同。一般來說廢棄糧食的含水率較大,當溫度達到140℃時,混合材料中的水分開始揮發。但當溫度超過180℃時,糧食成分會出現焦燒、變色現象,導致制品質量劣化。因此加工溫度必須嚴格控制在140-160℃間,進行低溫加工。

    混合材料使用不同的加工方法,能達到的最大糧食成分含量各不相同。一般來說,異型材擠出成型含量最高可達70%左右,注射成型含量約為50%-70%,板材擠出成型含量約為50%,壓膜成型含量約為50%,吹膜成型含量約為35%。

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