■資料來源：SPE 北京分會
前言
通過引言定義可知術語“生物塑料”不限於由天然材料，如玉米或澱粉製成的可生物降解或可堆肥的塑料。由於其低成本和低毒性，對於合成聚合物，二氧化碳是非常有吸引力的碳原料。生物塑料也適用於可降解的石油基塑料; 天然塑料，不一定是可生物降解的; 含有石油基和植物基材料的塑料，有可能可以生物降解，也可能不行。
圖１： 生物基原料來源（左），生物塑料可以是生物基的，生物可降解的或兩者兼而有之
生物塑料有兩大類
生物基和( 或) 可生物降解。生物基塑料：這種材料的主要焦點是“碳結構單元的起源”，而不是產品壽命終止處理。可生物降解的塑料：這裡的重點是材料“壽命終止處理”，不受其碳源的影響。 ( 圖1)生物基含量是指基於生物的材料中總有機碳的重量分數。最初開髮用於美國農業部（USDA）生物優選計劃的產品的生物基含量測定，美國測試和材料協會（ASTM）D6866 開發的基於生物的產品含量測定方法，是一種使用放射性碳數據測定材料中基於生物含量的標準化分析方法，並且廣泛用於生物塑料行業。ASTM D6866 生物基含量計算僅考慮總有機碳含量，而不考慮產品重量。該標準不衡量產品的生物降解性。
可生物降解的產品是指能夠被獨立於碳源的微生物分解的任何有機物質。最近，歐洲生物塑料協會估計2011 年全球生物塑料容量為116 萬公噸（mt），其中58％為生物基/ 不可生物降解。該集團預測，到2016年，生物基塑料/ 非生物降解塑料將增長到估計580萬公噸，大約佔據全球生物塑料容量的87%。石化材料佔塑料的大部分 – 全球約有2.8 億噸塑料。從2012年到2016 年，全球生物塑料的生產能力將增長近5倍。從2012 年的約120 萬噸增長到2016 年，生物塑料的生產能力將增加到預計的580 萬噸。
到目前為止，最強勁的增長將會出現在生物基非生物降解塑料集團。生物塑料生產能力的構成預計將從2012 年的生物基/ 不可生物降解的58％顯著變化到2016 年的87％。與其他生物基塑料相比，嵌入式生物塑料（與石油衍生塑料在化學上相同）正在以更快的速度獲得認可。與未知的新型材料相比，使用這些嵌入式材料所涉及的風險要小得多，並且與現有的回收流容。
圖２： 生物塑料與生物複合材料研究所（IFBB）擴大生物塑料生產能力
圖3： 可口可樂- 植物原料瓶製造工藝
目前領先的領域是部分生物基PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯），佔全球生物塑料生產能力的約40％。預計這種生物塑料將在2016 年增加10 倍，達到生物塑料總產能的80％，達到450 萬噸。 ( 圖2) PET 之後是生物基PE（聚乙烯），這是另一種吸附材料，強烈推動生物塑料增長250,000 噸，或超過2016年生物基生產能力的4％。已經或正在商業化的其他嵌入式材料包括生物基尼龍，聚丙烯，聚苯乙烯，聚碳酸酯，PVC（聚氯乙烯）和許多其他傳統塑料。雖然歐洲是世界上最大的生物塑料市場，但亞洲和南美洲的產能增長最快。讓我們看看最近值得注意的一些生物塑料材料，工藝和應用開發。
首先，生物塑料原料的進步產生了新的塑料生物基構件。這裡的一個很好的例子是異山梨醇可再生二醇。異山梨醇是一種由澱粉製成的生物基化學品，是一種可持續的，無毒的聚合物二醇，可廣泛應用，包括不含雙酚A（BPA）的聚碳酸酯和生物基共聚酯。
雖然異山梨醇作為山梨糖醇的衍生物不是新產品，但長期以來被認為過於復雜而無法用於化學工業用途。Roquette Frères 是澱粉製造行業的全球領導者，他致力於開發重要的研究和開發工作，以發展在聚合物行業中使用異山梨醇的技術。
該公司花了五年時間研究異山梨醇作為各種聚合物和生物聚合物的可再生二醇的用途。該公司與三菱化學合作開發和商業化了Durabio，這是一種耐用的生物基異山梨醇聚碳酸酯，結合了聚碳酸酯（PC）和聚甲基丙烯酸甲酯或丙烯酸（PMMA）的優點。
該塑料具有優異的光學性能，連同高衝擊強度和生物基含量。三菱已在日本黑崎工廠升級其現有的聚碳酸酯設施，並在那里為全球客戶生產Durabio，年產量為20,000 噸。 ( 圖4)
圖4：三菱化學－ Durabo 化學結構（左）和比較性質（右）
圖5：諾莫爾- 專有的CO2 和共同可持續塑料原料路線
圖6：帝斯曼工程塑料-ECOPAXX 的低CO2 生成圖7：帝斯曼工程塑料-ECOPAXX 生物曲軸蓋—大眾汽車
接下來，Novomer 開發了使用二氧化碳作為主要原料生產聚碳酸亞丙酯（PPC）和聚碳酸亞乙酯（PEC）的技術。基於二氧化碳和環氧丙烷（PO）或其他環氧化物的共聚合，聚合物可以作為熱塑性聚合物和多元醇生產，用於包裝和塗覆產品。
該公司還開發了鏈轉移技術，目的是生產用於熱固性應用的低分子量二氧化碳基多元醇，這些多元醇在塗料，粘合劑，泡沫和復合樹脂中具有商業利潤。該工藝使用的專有催化劑系統比以前的系統活性大約高300 倍。催化劑體係不需要使用貴金屬，並且只需要簡單的有機化學，這使得其合成成本低。
在世界上第一個大規模生產PPC 多元醇的過程中，生產了超過七噸的成品。 Albemarle 在他們位於南卡羅來納州奧蘭治堡的工廠使用現有的Albemarle 設備進行放大生產，該設備經過改造用於PPC 多元醇生產。
1000 分子量的PPC 二醇用於加速產品認證和廣泛的傳統聚氨酯應用。然後，100％生物基聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）的發展將加速。每年生產約5000 萬噸PET 用於包裝薄膜/ 瓶子，非織造布/ 紡織纖維和汽車樹脂。 PET 通常由15-30％的單乙二醇（MEG）和70-85％的對苯二甲酸（PTA）製成。 ( 圖5)可口可樂，福特汽車公司，亨氏，耐克和寶潔公司組建了植物PET 技術協作組織（PTC），這是一個戰略工作組，致力於加速在其產品中開發/ 使用100％植物性PET 材料和纖維。所有五家成員公司都使用PET，一種耐用的輕質塑料，用於各種產品和材料，包括塑料瓶，服裝，鞋類和汽車織物/ 地毯。 ( 圖3)PTC 協作正在以可口可樂的PlantBottle 包裝技術的成功為基礎。目前，只有MEG 部分來自可再生材料。在這種情況下，這意味著巴西甘蔗/ 糖蜜乙醇，其被送往印度轉化為乙烯，然後印尼用於聚合成PET。
可從多個來源獲得的生物基MEG 佔可口可樂生物基PET 的約30％。生物PET 材料具有與傳統PET 相同的性能/ 功能，並且可以像傳統PET 一樣回收。可口可樂公司推出了Plantbottle，以減少對不可再生石油的依賴，同時降低PET 塑料瓶產生的潛在二氧化碳排放量。 PTC 協作組織的成立是為了利用創始公司的研發工作來實現完全由生物基材料製成的PET 塑料的商業解決方案。
最後，在耐用的汽車產品中，大眾汽車集團已採用由EcoPaXX 生物基聚酰胺（尼龍）模塑而成的輕質曲軸蓋，用於柴油發動機。 EcoPaXX 由帝斯曼工程塑料公司生產，是一種聚酰胺410，基於70％的熱帶蓖麻籽可再生資源，不與食物鏈產生衝突。 ( 圖7)該材料還通過從原材料到出廠門的100％碳中和認證。換句話說，在其生產過程中產生的二氧化碳被原料生長階段吸收的二氧化碳量所抵消，在這種情況下，是蓖麻子。由於EcoPaXX 的密度比通常使用的鋁低45％，因此覆蓋重量顯著降低。
EcoPaXX 具有極高的機械性能，在高溫下具有出色的韌性，是極端使用時所需高性能的理想材料。大眾版本的嚴格尺寸規格以及它必須承受的高負荷使得在熱塑性塑料中生產它的挑戰特別嚴重。 ( 圖8) ■
