生物质塑料的重要意义及产品种类

（一）从一则新闻引发的话题

1.除了能吃，玉米还有什么用途？

《北京青年报》有一则新闻报道，提出这样一个问题——“除了能吃，玉米还有什么用途？”

在20世纪80年代，有少数科学家曾大胆设想，未来玉米将不再仅仅作为粮食和动物饲料而存在，但对具体答案也是一片茫然。今天，这个问题的答案变得很简单——除了充当人类和动物的食物外，玉米可以制成衣服、被子、窗帘，可以做成各种瓶子、盘子等容器和餐具，还可以做成光碟甚至是办公室墙板……总之，原来化纤和塑料能干的事，现在玉米也都能胜任，甚至做得更好。玉米经过加工处理后得到的高分子材料聚乳酸（PLA），可以充任纤维、塑料等多种“角色”，而且“玉米被子”摸上去和棉被、鸭绒被一样蓬松柔软。

在北京举行的“绿色材料与绿色奥运”国际研讨及展览会上，参观者亲眼见识了这些由玉米变身而来的“绿色制品”，来自美国、欧洲、日本和国内的30多家知名企业，向人们展示了神奇的“绿色塑料”和“绿色建材”，让人大开眼界。这些“绿色材料”曾为2008年北京奥运会提供“绿色服务”。

“淀粉梳子”和普通塑料梳子摸起来手感差不多，更有韧性，试着梳了两下，还不带静电。另一家名为Naturework的公司在2008年的展览会展示的所有日常用品全部由玉米“变身而来”——“玉米被子”摸上去和棉被、鸭绒被一样蓬松柔软；“玉米衣服”则比普通衣服更有光泽，手感更柔和，据称也更透气、更吸汗；“玉米光碟”和普通光碟一样看上去光可鉴人……

2.玉米是怎样变成“塑料”和“纤维”的？

玉米变成“塑料”和“纤维”的神奇过程是这样的：首先，玉米等植物中的糖分被提炼出来，经过发酵蒸馏萃取制造出塑料和纤维的基础材料——碳，再被加工成聚乳酸。经过这个复杂的化学处理过程，原来的天然食物变成了高分子材料，性能发生了质的变化。最后，聚乳酸或者被制成包装袋、泡沫塑料、餐具，或者被制成各种纤维，并被织成布，缝制成各种衣服、被子、窗帘等。

为什么要用玉米等植物制造这些物品呢？最为诱人的原因在于其优异的环保和节能功效。和出身石油的普通化纤不同，由玉米制成的聚乳酸不使用石油等化工原料，称得上是“纯天然”。埋在土壤里能在很短时间内降解，变成可供植物吸收利用的肥料，而肥料被植物吸收后，经过光合作用又可变成聚乳酸的起始原料淀粉。在这种循环往复的过程中，废气排放被大大降低了，而白色污染因为“玉米塑料”和“玉米纤维”可降解的特性，几乎被杜绝。

相比于传统塑料，“玉米纤维”能少用50%的石油原料并减少40%的温室气体排放，且仅需一个多月就能在土壤中降解成肥料。用石油加工成的传统塑料产品“顽固不化”，要在自然界存在几十年甚至几个世纪之久。“玉米塑料”和“玉米纤维”从根本上解决了让人头疼的“白色污染”问题。

正是因为上述这些特点，出身玉米等植物的“绿色塑料”和“绿色纤维”——聚乳酸，已被国内外众多专家推荐为“21世纪的环境循环材料”，是一种极具发展潜质的生态性材料。专家表示，这种从玉米中提取的聚合物在价格和性能上，可直接与基于石油的塑料和聚酯纤维竞争。

在我国，生产聚乳酸的原料丰富，玉米等农作物可以说是取之不尽的可再生资源。我国每年有上亿吨的作物秸秆，相当一部分被就地焚烧，污染大气；每年有数量众多的农田因覆盖石油基塑料地膜而导致土壤肥力衰退。中国科学院院士石元春认为，以作物秸秆等农林废弃物和环境污染物为原料，使之无害化和资源化，作为农业生产的一部分，对发展农村经济，增加农民收入，促进农业的工业化、中小城镇建设、富余劳动力转移，以及缩小城乡差别等都有重大战略意义。

英荷皇家壳牌石油公司估计，21世纪前50年，生物质材料将提供世界化学品和燃料的30%，世界市场份额达到1500亿美元。《今日美国》更预言：“玉米等农田作物有可能逐渐取代石油成为获得从燃料到塑料的所有物质的来源，‘黑金’也许会被‘绿金’所取代。”由玉米等植物制得的高分子材料聚乳酸正日益受到人们青睐。国外一些商业嗅觉敏锐的公司，已发展出一系列生产工艺，开始利用聚乳酸，大规模生产从T恤、袜子，到玩具、奶瓶、餐具，乃至汽车零部件等各种产品。今天，由玉米等植物制成的聚乳酸，可制成塑料和纤维制品，在服装、土木、建筑物、农林业、水产业、造纸业、卫生医疗和家庭用品等行业得到广泛应用。

生物质塑料和传统意义上的塑料一样，可以制成各种包装材料、农用薄膜、家具器皿、家电玩具、建筑材料等。可以说，传统塑料所能加工成的产品几乎都可以用生物质塑料来制成。但更重要的是，生物质塑料的原料来源是可以再生的农作物，其成品废弃物可以在掩埋堆肥条件下完全降解，生成水和二氧化碳；而传统塑料的原料主要是不可再生的石油资源，其制品也不可降解。因此，大力发展生物质塑料产业具有重要意义。

（二）石油基塑料的困境与生物质塑料的应运而生

1.生态材料

20世纪90年代，为解决由石油基塑料造成的“白色污染”问题，国际材料界提出了生态材料（Ecomaterials）的概念。广义上的生态材料，并不是仅仅指新开发的新型材料，也不是排他的新材料体系，而是经过改造，可以达到节约资源、与环境协调共存要求的任何一种材料，也包括材料使用过程生命周期各个阶段可以减轻材料环境负荷的设计、技术和工艺过程。

2.生物质塑料

生物质塑料是利用玉米粉、土豆粉、木薯粉等生物淀粉类农业产品，与聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、偶联剂、添加剂等化工基产品混合，通过电子、化工、生物工程和机械加工等多学科交叉工艺，生产的生物质塑料合成树脂。该种合成树脂生物质含量可以达到30%～70%，具有化工塑料树脂的全部功能，可制造成薄膜类、发泡填充类和硬片类等上百种生物质塑料环保制品，这些生物质塑料制品通过环境微生物的作用可以降解。近年来，关于生物质塑料的概念越来越多地强调完全生物降解，即不含任何难以降解的有机石化原料成分。

生物质塑料产品，主要包括全淀粉塑料、大豆蛋白塑料、聚乳酸及聚羟基脂肪酸等。前两种产品虽然价格便宜但可加工性差，发展空间有限。聚乳酸则由于加工性好，具有良好的机械性能及物理性能，应用会越来越广，可加工成从工业到民用的各种塑料制品。所有富含淀粉的农作物都能生成聚乳酸，玉米因为价低量大，成为聚乳酸的基础原料。

3.生物降解塑料(www.xing528.com)

以天然素材为原料合成新型材料已经成为现今材料科学一个新的发展方向。这种新型材料不仅具有优良的性能，更为重要的是其废弃物可以靠微生物降解，最终生成二氧化碳和水，参加到自然界的生态大循环中去，对环境的污染可以降至零。同时生物界奇妙的遗传技术也会将材料的特性一代代地传递下去。因此，材料学界赋予这种新型材料一个崭新的名字——新型生物降解材料。生物降解塑料是指在有氧或缺氧的条件下，能被微生物降解为二氧化碳或甲烷、水、所含元素的矿化无机盐以及新的生物质的一类塑料。而这些微生物在自然界中或在堆肥的垃圾处理系统中大量存在，生物质材料无论是在自然界或堆肥垃圾处理系统中，都很容易完全降解。

淀粉与可生物降解塑料混炼生物质材料使用较普遍，采用脂肪族聚酯或者脂肪族聚酯混合淀粉制造。脂肪族聚酯主要包括以可再生资源为原料生产的聚乳酸、由微生物合成的聚羟基脂肪酸酯等，还有以石油为原料合成的聚己内酯（PCL）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）及其共聚体，因此类材料性能尚不能完全与石油基塑料媲美，但价格相对便宜。二氧化碳共聚物是二氧化碳与环氧化物聚合产生的可降解塑料。我国已有生产厂家，如内蒙古的蒙西公司，开始批量生产二氧化碳共聚物产品，原料依托的是附近的二氧化碳气田。它的应用主要集中在包装和医用材料上，但成本还是很高。由微生物直接合成生产的热可塑性高分子材料主要是β-羟基丁酸酯类聚合物，主要为美国Metboxi公司和中国的宁波天安公司，但产品的结晶性太强，机械物性不好，容易被热降解，难以进行加工，且成本较高，只能用于生物医学工程和组织工程等高价值产品。

最典型的以可发酵糖为原料生物合成前体再化学聚合生成可生物降解塑料就是聚乳酸。聚乳酸的研究始于20世纪60年代，人们发现高分子量的聚乳酸能在人体内降解，由于聚乳酸的基本原料乳酸是人体固有的生理物质之一，对人体无毒无害，引发了这类材料作为生物相容性医用高分子的热潮。聚乳酸的性能和用途前面已经介绍过，此处不再赘述。

（三）发展生物质塑料的现实意义

1.不可再生自然资源成本越来越高

国际原油价格屡创新高，带动了国内石油、乙烯等石化基本原料价格上扬，塑料制成品成本随之提升。原材料涨价使塑料加工企业的成本压力大增，尤其是部分中小企业已经面临生死存亡的关头。一些塑料企业出现有单不敢接的情况，部分小作坊甚至已停产。大中型塑料企业也在缩小生产规模，或者采用其他原料替代塑料。尽管生产成本上升，但是由于担心客户流失，塑料加工企业却不敢轻易提高成品价格。进口塑料原料的经销企业也有自己的难处，目前加工企业的采购量低，加上再生塑料的冲击，经销企业的销售量降低了接近1/3，并且利润也受到很大影响，有的企业甚至透露，每卖1吨就亏1000～2000元。塑料制品销售商的日子也不好过，整体而言，制品的价格还是上涨了，涨幅达20%。有销售商表示，“本来利润就薄，现在进货价又上涨，生意越来越难做了”。

2.发展生物质塑料产品的现实意义

发展生物质材料产业，是从根本上解决“白色污染”和应对全球石油资源短缺的策略。生物基塑料的最大意义在于可以实现可持续发展。生物质塑料产品的原料玉米等植物可以年年种，生生不息。目前全球石油紧缺，而玉米产量却过剩。2020年中国玉米库存量就有1.13亿吨。如果用这些库存玉米为原料，可以制造大量塑料，能大幅减少石化企业塑料产量，使用过剩的材料来代替紧缺的资源，显然非常“划算”。

生物质塑料在中国的应用，其意义还体现在环保方面。一方面，这种塑料的原料玉米等植物，在生长过程中通过植物的光合作用，会消耗二氧化碳。另一方面，生物质塑料的整个生产过程都是生物催化，或者结合化学聚合，是一种能量消耗少、污染物排放少的绿色生产工艺。更重要的是，这种塑料废弃后，可以通过环境微生物的作用完全降解，也可以通过堆肥作为肥料或者燃料再利用。也就是说，生物质塑料不但可以克服传统塑料生产过程中所带来的二氧化碳排放困扰，而且可以摆脱废弃后“白色污染”的弊病。有业者估计，如果有100个年产10万吨“玉米塑料”的厂家，中国将彻底告别“白色污染”。发展生物质塑料所带来的经济效益也是较为可观的。

（四）生物质塑料应用情况及前景

生物质塑料由生物淀粉类农业产品制成，它具有耐磨、透气等优点，可全面取代化工塑料，被视作继金属材料、无机材料、高分子材料之后的“第四类新材料”。聚乳酸（PLA）是其中最大的一种，俗称“玉米塑料”。

“玉米塑料”在医药医疗领域大有用武之地。用其制成的骨钉、手术缝合线已应用于临床，由于具有在体内完全降解的特性，可免除施行拔除和拆线等程序。“玉米塑料”被用于制成人造骨骼和人造皮肤的组织工程支架，随着支架材料的降解，生成人造骨骼和人造皮肤。利用“玉米塑料”无毒、无害、可降解的特性，还能制成缓释胶囊，可以在人体内逐步消化降解，药物在一定时间内持续释放。

“玉米塑料”作为包装材料的应用也非常广泛。全球最大的零售商沃尔玛计划将所有产品包装改换成聚乳酸（PLA）塑料制品。据悉，通过改用玉米为原料，沃尔玛每年将减少大量汽油的使用，大幅减少温室气体排放。此外，美国和加拿大的多个商店已改用“玉米塑料”粮食容器，销量增长迅速。

在其他应用方面，还包括以下例子：丰田公司用白薯淀粉基塑料制成汽车配件，富士通公司用玉米淀粉基塑料替代计算机的塑料外壳，荷兰甚至计划使用“玉米塑料”来制造棺材。

（五）生物质塑料生产中存在的问题以及解决途径

尽管生物质塑料在国内已经实现产业化，但价格较高仍是制约其大范围应用的最主要瓶颈。因此，降低生产成本成为该产业近期的重要目标，有三个途径可以达到此目标：降低生物质原料的成本、提高生产技术和扩大生产规模。

生产生物质塑料的原料主要是玉米淀粉。中国玉米生产集中在东北和黄淮地区，而南方地区畜牧业和玉米加工业发展较快，玉米需求量大，北粮南运促使运输成本较高。

与原料成本相比，生物质塑料的加工转化成本更高。实现技术上的突破，是降低产品整体成本的关键。据报道，在生物质生物利用过程中，国际公认的3个需要解决的重大技术问题是：克服木质纤维素分子对生物转化的抗性，将大分子多糖降解为可发酵糖；通过微生物代谢工程和基因工程研究，由可发酵糖进行生物转化；简捷、高效的下游过程技术产物分离。中国在以上方面具有独到的技术优势，将有望率先降低聚乳酸前体乳酸的生产成本，使生态塑料聚乳酸树脂具备与石油基塑料竞争的经济性。

通过扩大生产规模，也可以使生物质塑料的成本下降。但是，由于这一产业涉及面广，需要投入的资金量大，不少企业在发展初期完全靠市场机制难以形成必需的资本力量。

在中国石油资源短缺、环境污染压力增大的状况下，推动生物质塑料的应用将成为中国新材料发展的一个重要方向。随着产业规模和市场影响的扩大，生物质塑料全面替代石油基塑料也将有望成为现实。