第1章 绪论
材料是人类社会文明的三大支柱之一，按照主要使用材料的不同可以将人类社会经历的发展阶段分为石器时代、青铜时代、铁器时代和合成材料时代。20世纪初，**种合成高分子材料——酚醛树脂实现了工业化生产。至20世纪中叶，高分子材料开始快速发展，广泛渗透到人类生产生活的各个方面，成为重要的基础材料，人类社会也由此进入了高分子材料时代。
高分子材料主要包括合成纤维、橡胶和塑料，可满足不同领域、不同性能的需求。塑料位居三大合成高分子材料之*，因具有质轻、易加工、综合性能优良等优势，广泛应用于汽车制造、现代医学、电子电器、航空航天、现代农业、建筑工程、日用品等领域。
塑料工业是中国国民经济的重要组成部分，但随着塑料的大量生产和广泛应用，废弃塑料量也在急剧增加。据统计，1950~2015年，人类累计生产了83亿吨塑料制品，其中49亿吨已遭废弃（图1-1）。绝大部分塑料化学结构稳定，经久耐用，在自然条件下难以降解，易造成垃圾围城、破坏土壤、侵蚀山川、污染大气、危害海洋生物和海洋环境等问题。废弃塑料造成的环境污染问题，主要是人们对其不合理的终端处置造成的。然而在现代社会，禁用塑料制品显然是不符合实际情况的。物理再生、化学回收和加速材料分解均是对废弃塑料终端处理的有效方式。
1950~2015年，非纤维类塑料制品约生产了73亿吨，其中约42%作为包装材料被使用。一般来说，包装材料（特别是轻量包装材料）无法大规模回收，因此也就无法通过物理再生或者化学回收的方式进行处理，基本上可以认为是一次性消费品。以中国为例，一次性塑料消费品，如购物袋、垃圾袋、餐具、农业地膜、运输包材等（图1-2），占塑料制品产量的35%左右，该类制品的总产值年增速在15%以上，目前主要由聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）等材料制成，使用寿命短，降解时间长，是“白色污染”的主要根源。
图1-1？聚合物树脂、合成纤维和添加剂的全球产生量、用途和归宿图（1950~2015年）单位：百万吨
图1-2？一次性塑料包装制品
生物降解塑料的*大特点是较短时间内可在自然条件或者较为温和的工业堆肥条件下降解成二氧化碳及水等小分子。这一特点可有效解决“白色污染”问题，特别适用于一次性塑料消费品行业。
全球各国相继制订和出台了有关法规，通过部分禁用、限用、强制收集以及收取污染税等措施限制不可降解塑料的使用，大力发展可降解塑料材料，解决废弃塑料对环境的污染问题（图1-3）。
图1-3？一次性传统塑料包装制品污染
2010年以来，欧洲部分国家在环保政策上持续优化，陆续通过立法、政策鼓励、政府采购、引导消费等方式，对生物降解塑料购物袋等环境友好型产品的使用进行了大力支持和推广[1]。而作为代表性材料的聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯（PBAT），由于其优异的成膜加工性和接近聚乙烯的膜袋使用性能和力学性能，成为绝大部分市售生物降解塑料购物袋和垃圾袋的主要基材。欧洲国家主要的生物降解推广政策如表1-1所示。
表1-1？欧洲国家主要的生物降解推广政策
注：因篇幅限制和重复性，更多国家使用完全生物降解塑料袋的信息不再赘述
中国虽然在环保政策上相比于欧洲国家略有滞后，但在2012年之后随着国家对可持续发展以及环境优化材料的调研摸索、消费者环保意识和对生物降解材料的认识逐渐普及以及国内生物降解塑料技术研究和产业建设的蓬勃发展，国内绿水青山的可持续发展政策推广取得了日新月异的进展，特别是在PBAT等生物降解材料和制品产业上取得了突破[2]。中国实行禁塑和生物降解袋使用现状如表1-2所示。
表1-2？中国实行禁塑和生物降解袋使用现状
注：因篇幅限制和重复性，更多国内使用完全生物降解塑料袋的信息不再赘述
1.1？生物降解塑料概述
降解塑料是指在规定环境条件下，经过一段时间和包含一个或更多步骤，导致材料化学结构的显著变化而损失某些性能（如完整性、分子质量、结构或机械强度）和/或发生破碎的塑料。应使用能反映性能变化的标准试验方法进行测试，并按降解方式和使用周期确定其类别。
生物降解是指由于生物活动尤其是酶的作用而引起材料降解，使其被微生物或某些生物作为营养源而逐步消解，导致其分子量下降与质量损失、物理性能下降等，并*终被分解为成分较简单的化合物及所含元素的矿化无机盐、生物死体的过程。
生物降解塑料是指能够在适合的环境条件下经过一定时间跨度后*终分解为二氧化碳、水、无机盐以及新的生物质的一类聚合物材料。*先，生物降解塑料是一类塑料，具有与传统塑料可比的加工使用共性，特别是在一次性消费制品的加工和使用过程中是可以完全替代传统塑料的；此外，更为重要的是，在具有塑料这一共性的基础之上，生物降解塑料还具有可以在短时间内能被*终分解为小分子的这一特性，这使得其可被无害化处理成为可能。生物降解塑料制品在废弃之后可以通过施加一种外界条件而使其快速分解为小分子，这种外界条件*恰当的形式是堆肥。生物降解塑料这些与生俱来的固有特性使其能够替代传统塑料性能，解决传统塑料污染。
生物降解塑料在堆肥条件下的生物降解通常分为两个过程，*先大分子经过水解后分子量变小，其后进一步被微生物消耗掉。这类微生物可能是细菌、真菌、酵母菌、藻类等。它们会侵蚀聚合物的表面，然后由微生物分泌的酶对聚合物进行进一步的分解，微生物以这些微小的聚合物片段作为食物来完成自身的新陈代谢。这种代谢过程中的*终产物二氧化碳和水将会融入到大自然的物质循环中去（图1-4）。
图1-4？生物降解塑料降解机理示意图
生物降解塑料按照单体来源分类，主要有石油基降解塑料和生物基降解塑料两种。其中，生物基降解塑料（如淀粉基塑料、PLA、PHA等）是以可再生的天然生物质资源作为原料，如淀粉（如玉米、土豆等）、植物秸秆、甲壳素等；石油基塑料（如PBAT、PCL、PBS、PGA等）则是以石化产品为单体形成的。
1.1.1？石油基降解塑料
目前， 全球已开发了多种基于不同原料的完全生物降解塑料，主要品种包括淀粉基生物降解塑料、聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）、聚己内酯（PCL）、二氧化碳共聚物脂肪族聚碳酸酯（APC）、聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯（PBAT）等。其中，PBAT和PLA是当前国内外研究和开发*多、技术相对成熟、产业化规模*大的生物降解塑料，也是*早进入市场和目前市场消费的主要品种。
目前公众对生物基塑料和生物可降解塑料的概念还容易混淆，对其认识还存在一定的误区，比如将生物基塑料等同于生物降解塑料，将可降解塑料等同于可完全生物降解塑料，将可工业堆肥塑料等同于可在自然环境下生物降解塑料。生物基塑料是指源自植物或其他生物材质的塑料。生物降解塑料是可以完全降解为自然界中存在的物质的塑料。可生物降解的定义不包括具体的分解时间长度或具体的环境条件。可堆肥塑料在受控条件下分解，变成可使用的无毒堆肥产品或土壤改良剂，其降解时间长度与其他可堆肥材料相当。可堆肥塑料属于生物降解塑料，是生物降解塑料的一个子集，将通过工业堆肥或厌氧消化收集和处理的生物降解塑料称为可堆肥塑料。塑料的减量和再循环利用应优先于可堆肥塑料，并且不可将可堆肥塑料替代回收率高的塑料。图1-5可以清晰地阐明生物降解与生物基的区别。
图1-5？生物基与生物降解分类示意图
生物基降解塑料兼具降解和生物基来源的特点和优势，不仅能使塑料垃圾减容、减量，而且作为不可再生石油资源的补充替代品具有重要意义，有利于可持续发展战略的实施；从更深远意义上讲，可以减少碳排放，应对全球气候变暖，保护人类生存的环境。生物基降解塑料作为一个新兴的、具有巨大经济和低碳生态意义的产业，已经成为全球研发和推广的热点。
石油基降解塑料商业化品种有很多，主要是聚酯或共聚酯类高分子材料，比如PBS、PBAT、聚己内酯（PCL）、聚丁二酸-己二酸丁二醇酯（PBSA）、聚对苯二甲酸-丁二酸丁二醇酯（PBST）等，其中又以“PB树脂”家族系列为主。生物降解“PB树脂”家族是以1， 4-丁二醇为基础单元与不同种类二元酸合成得到的系列聚合物，二元酸包括丁二酸、己二酸和对苯二甲酸等，部分产品如表1-3所示，其中以PBAT使用*为广泛，目前产能占全部生物降解塑料的70%以上。
表1-3？生物降解“PB树脂”家族系列
此类生物降解聚酯包括PBS、PBSA、PBAT、PBST等[3-8]。PBS、PBSA及PBST虽然开发时间较早，但由于本身性能原因，应用受限。PTT MCC Biochem及金发科技股份有限公司（金发科技）是全球PBS及PBSA的主流供应商。*早开发PBAT材料的是BASF，现有产能为7.4万吨/年。中国在该类产品的产业化发展也很快，其中金发科技是亚太地区*大的PBAT生产制造商，现有产能18万吨/年。其他PBAT生产商主要有新疆蓝山屯河、华峰和万华等，产能分别为12万吨/年、3万吨/年和6万吨/年，金晖兆隆、亿帆鑫富、莫高等也有万吨级装置。目前全球PBAT产能供大于求，但随着全球市场需求量的增加，未来几年有望释放产能。
1.1.2？生物基降解塑料
早在20世纪70年代的“石油危机”爆发之后，基于对现有煤、石油、天然气等自然能源储量有限的担心，世界各国开始对各种替代能源开展了研究。同时化学工业也开始了材料来源的替代研究，以期摆脱对于石油工业的依赖。无数研究证明，目前生物质材料是化学工业可持续发展的主要方向。
据中国石油和化学工业联合会统计，2022年中国成为世界**大炼油国，石油对外依存度71.2%。基于国家能源产业安全、可持续发展和环境保护等方面的考虑，中国生物基化工产品替代石油化工产品的进程将逐渐加快。
进入21世纪20年代，中国每年塑料制品的表观消费量在八千万吨左右。若有部分石油基塑料被生物基塑料替代，其对中国“碳达峰碳中和”的目标的达成、环境保护基本国策的推行、国家经济产业安全的实现来讲，都是有利的。
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