可降解塑料的種類和發展現狀

薛俊海

關鍵詞：可降解塑料，生物降解塑料，光降解塑料，化學降解塑料

近年來，廣泛使用的聚乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯等塑料制品引起的環境污染問題日益嚴峻，塑料的降解和再生是解決該問題的兩個方向，其中降解塑料的逐步應用和廣泛推廣是解決白色污染問題的有效技術，全球70余個國家已出臺限制常規塑料制品的相關標準和規定。為減少塑料制品的“白色污染”，推動可降解塑料產業的發展，我國也不斷出臺政策大力整治，早在2008年1月8日，國務院辦公廳發布《關于限制生產銷售使用塑料購物袋的通知》。時隔12年之后，2020年1月16日，國家發展改革委員會和國家生態環境部發布最嚴“限塑令”，共同出臺文件《關于進一步加強塑料污染治理的意見》以下簡稱《意見》。

在2020年《意見》中，進一步明確提出了禁止和限制使用塑料制品的具體時間和種類要求，明確了2020年率先推動、2022年逐步推廣、2025年形成體系三個階段主要目標的基本原則，并從不同的塑料應用領域，不同的塑料材質種類，不同行政級別區域三個角度，對特定種類塑料制品的生產、銷售和使用做了較為具體的規定[1]。

我國各省市也相繼出臺了相關政策，多地“禁塑令”開始實施。吉林省率先在2015年初開始在吉林省內實施“禁塑令”；海南省在環境保護領域也做出了嚴格的規定，從2020年底就開始了環保行動，對不可降解的農用地膜、塑料購物袋與餐飲具等進行了禁止銷售的要求；2021年1月1日起，北京、上海等地正式實施“禁塑令”[2]；而我國部分城市如廣州、杭州等已開始率先執行城市生活垃圾分類，對快遞包裝、外賣包裝有了嚴格的要求，減少塑料制品的使用已是趨勢。

GB/T 20197-2006《降解塑料的定義、分類、標識和降解性能要求》對降解塑料給出了嚴格的定義[3]?？山到馑芰习唇到獾木唧w途徑分為多種類型，大致可分為生物途徑降解塑料、光途徑降解塑料、化學途徑降解塑料等。

1 生物降解塑料

在GB/T 39514-2020《生物基材料術語、定義和標識》中，生物降解塑料是由微生物作用引起的并最終降解變成小分子[4]。除了強調塑料是由微生物引起降解外，國內標準對于降解后生成的物質有較為詳細的要求[5]。而在政府限制使用的一次性餐具相關標準GB/T 18006.3-2020《一次性可降解餐飲具通用技術要求》中，僅規定了生物降解的塑料種類，可見生物降解塑料的應用較為廣泛[6]。

而國內應用最為廣泛塑料購物袋標準GB / T38082-2019《生物降解塑料購物袋》中，也僅規定了使用生物降解塑料作為原料的購物袋[6 ]，GB/ T38079-2019《淀粉基塑料購物袋》規定了另外一種常見可降解購物袋，描述了淀粉基塑料購物袋的定義和要求。

生物降解塑料從合成方式上可分為利用石化資源合成、可再生材料合成兩大類[7]。世界主要國家對降解制品的生物降解要求如表1所示。

由表1可見，我國標準目前對降解率要求不高，6個月降解率僅為60%，歐美對降解材料的降解率要求相同降解時間均為90%。歐洲標準除規定了需氧降解材料外，還規定了厭氧降解材料的要求，要求2個月降解50%以上，標準更為全面，材料選擇性更多。

1.1 石化基生物分解塑料

石化基生物分解塑料，利用化石資源（石油等）合成生物降解塑料，通常以石化產品為單體，通過化工合成等方式得到。常見的石化基生物分解材料包括聚丁二酸丁二醇酯等。

聚丁二酸丁二醇酯 Poly（butylene succinate），簡稱“PBS”，結構簡式是H-[O（CH2）4OOC（CH2）2CO]n-OH。PBS塑料降解速度快，但商品保質期短；與聚乙烯等傳統塑料相比，物理力學性能（如拉斷力等）不佳，不能滿足目前塑料制品的性能指標要求。經過科研工作者的研究，目前PBS可通過改性提高物理性能指標，貯存期穩定性等參數，常見的是通過添加芳香組分，使用共聚的化學合成改善塑料的物理和存儲性能。

在聚己二酸丁二醇酯（PBA）中添加對苯二甲酸丁二醇酯后，改性得到的聚己二酸/ 對苯二甲酸丁二醇酯，屬于熱塑性生物降解塑料，英文名Poly（butyleneadipate-co-terephthalate），簡稱“PBAT”，即為應用較為廣泛的降解塑料。PBAT是一種優良的改性混合降解塑料，既有優良的延展性，斷裂伸長率檢驗指標好，耐熱性和沖擊性能也較高；生物降解性可滿足國家標準要求，是2023年生物降解塑料中最受歡迎和市場應用最好降解的材料之一。

1.2 可再生生物降解塑料

可再生生物降解塑料是由天然材料直接加工得到的塑料，主要有兩類：第一類是在淀粉中加入改性材料制得；第二類是以淀粉為原料進行進一步的制備而獲得，常見的如聚乳酸等。

1.2.1 淀粉改性降解塑料

淀粉是高分子化合物，由葡萄糖小分子單元聚合而成，廣泛來源于土豆、玉米、紅薯等農作物，可循環再生且完全降解。

淀粉屬于一種較強結晶化合物，分子間通過氫鍵連接，未進行改性的淀粉的化學鍵在150℃以上斷裂，淀粉的粒徑一般約為10～100微米，可作為輔料制備各種可降解塑料，也可化學改性后作為主料制備可降解塑料。

常見的有聚乙烯-乙烯/丙烯酸/淀粉共混物，這是一種共混型淀粉基生物降解材料，主要用于制備膜、發泡片等制品。此外，還有淀粉/聚乙烯醇共聚物，根據生產工藝的不同，可用于制備一次性餐具、膜袋、管材等制品。

1.2.2 淀粉基降解塑料

聚乳酸（PLA）是目前應用較為廣泛的生物降解材料，性價比較高。目前工藝多通過生物發酵法制備乳酸，工藝成熟、成本較低，在降解塑料領域應用廣泛。PLA是一種熱塑性材料，力學性能和透明性能優異，可通過注塑、吸塑、吹塑等工藝，將樹脂制備成薄膜、片材等可降解塑料制品，在包裝領域應用廣泛[8]。

聚乳酸（PLA）的原料乳酸，是由玉米、甜菜、甘蔗和大米等生物質資源合成的，是生物基塑料的代表化合物之一。PLA 是一種透明度較高的熱塑性聚合物，通常采用熱塑性加工方法，即擠出、注塑等加工方式。

經過改性的聚乳酸可提高物理機械性能和穩定性，可代替聚乙烯、聚丙烯等常見塑料制品。聚乳酸有比較好的生物分解性，可在堆肥或土壤條件下降解，也能在海水中的微生物吸收。

1.3 可堆肥降解塑料

可堆肥塑料是生物降解塑料的主要種類之一。從原料劃分，可堆肥降解塑料分為石化基可堆肥塑料、生物基可堆肥塑料兩大類。石化基可堆肥塑料主要有二元酸二元醇共聚酯（PBS和PBAT等）；生物基可降解塑料包括淀粉基、聚乳酸（PLA）等[9]。

2 光降解塑料

我國標準重點關注光降解塑料是在自然光作用下，發生降解的變化，而對最后降解物質無具體要求。

光降解塑料的原理就是在原有聚合物塑料中引入光敏性物質，或在聚合物主鏈上引入光敏基團，這些光敏物質在自然環境中受光照作用吸收能量，發生化學反應產生引發源，引起大分子鏈斷裂變成低分子量化合物，最終完成塑料的光降解。

現在塑料工業領域常見的光降解塑料為共聚型和添加型兩類。

共聚型光降解塑料是在乙烯等烯烴單體與光敏物質（如一氧化碳等）聚合生成的聚合物塑料，共聚型光降解材料中含有羰基等易于吸收可見光的化學鍵，收到自然光照射后，吸收能量引發分子鏈斷裂。添加型光降解塑料是在現有的塑料中添加光敏化合物（如二苯甲酮、對苯醌等），這些光敏劑能吸收自然光，將能量傳遞給原有聚合物分子鏈，引發光降解反應。

光降解塑料反應分為兩個階段，光的吸收和光反應。長時間且強烈的光照是光降解塑料的必要條件，光降解塑料中的光敏組分吸收自然光后引發光反應，光敏官能團吸收能量后，影響分子結構，聚合物分子中的化學鍵發生斷裂，進一步引發聚合物主鏈斷裂。

但光降解塑料主鏈斷裂后，轉變為聚合物小分子鏈，即發生崩解，這些小碎片依然存在于自然界中，并不能進一步地轉化為有機物分子，形成污染環境的“微塑料”，危害人體健康。

由于光降解材料需要自然光引發，只能應用于日照時間長、光照強度大的地區，且只限于可長時間接觸自然光的制品（如農田覆蓋物等），且降解不完全，轉化為“微塑料”污染。國內光降解塑料僅在新疆和黑龍江地區有一定的應用和研究，難以在全國范圍內應用推廣。

3 化學降解塑料

化學降解塑料常見的有氧化降解和水解降解兩種降解方式[10]。

氧化降解塑料，是在傳統塑料中，加入氧化降解添加劑，使塑料在光和熱作用下，發生氧化反應，并在微生物的協同作用下，最終降解。由于降解條件較為苛刻，且容易發生降解不完全的情況，形成“微塑料”污染，因此目前氧化降解塑料在世界范圍內應用不多。

水解降解塑料是指在傳統塑料中添加水解酶等引發降解一類塑料。與氧化降解塑料的情況相同，水解降解塑料在水環境中的降解也較為緩慢，原因在于通常水環境（海水、淡水）溫度降低，能夠進行降解的微生物也較少，降解速度很慢，難以滿足當今標準的降解要求。

由于以上問題，目前歐盟等國家已禁止化學降解塑料的應用，我國相關國家標準也較多的生物降解塑料的應用，化學降解塑料的應用前景并不理想。

4 結語

目前，可降解材料已在包裝、農業、醫療等行業有較為廣泛的應用。購物袋、垃圾袋、快遞包裝袋等包裝制品已廣泛走進人民群眾的日常生活中；可降解農用薄膜、管材、養殖網等由于其降解的特性，極大地減少了環境中的塑料污染；緩釋、控釋醫藥包裝，縫合線等醫療器械，由于其在生物體內起完作用后可分解消失的特性，已在醫療領域得到了廣泛的應用，在人體內的縫合線已大部分均使用可降解材料。

隨著各地區禁塑要求的逐步加強，我國可降解塑料迎來了較好的發展機遇，未來可降解塑料市場需求較大，尤其是飯店、農田、市場等行業對降解塑料制品的銷售將迎來較快增長，未來市場使用率有望和歐美發達國家平齊，可降解塑料迎來了前所未有的機會。預計到2025年國內可降解塑料年需求量將提升至250萬噸/年，當前國內供給不足20萬噸/年，可降解塑料發展空間廣闊[11]。