生物降解塑料

化学产品设计生物降解塑料友好队员：冯小红王慧风指导老师：孙昱教授讲解内容•1、产品背景•2、用户需求•3、产品方案•4、方案的进一步确认•5、致谢一、产品背景•塑料工业是一门制品工业,又是一门新兴的材料工业。近年来,随着国民经济,特别是石油化学工业的迅速发展塑料工业发展很快。•1998年合成树脂的表观消费量约1494.0万t,塑料制品为1427.6万t。塑料材料和产品作为一种重要工业资材和消费资材,已广泛应用于工业、农业、包装业和高科技领域以及人民生活的各个方面,它已和钢铁、木材、水泥并列成为四大支柱材料,在促进国民经济各部门的技术进步和满足人民生活需要方面发挥着越来越重要的作用。•近年来,中国包装用塑料约400万t,其中难以回收利用的一次性塑料包装约占30%,则每年产生的塑料包装废弃物约120万t;塑料地膜40多万t,由于较薄(8μm以下),用后破碎在农田中并夹杂了大量的沙土,很难回收利用;难以回收利用的一次性日用杂品及不宜回收利用的医疗用品约40万t。一、产品背景•综合以上各项一次性塑料废弃物达200万t左右。又据北京、上海、天津等城市的调查,塑料废弃物在城市固体废弃物处理系统(MSW)中的质量分数约3%～7%,而体积分数则占10%～20%。由此引发的环境问题日益严重,引起了全社会的极大关注和强烈反响。对此,我国政府予以了极大的重视,正积极研究对策和措施。一、产品背景产品背景•塑料制品在工业和日常生活中的广泛应用产生了大量难以处理的塑料垃圾,形成了严重的环境危害。•减少并解决废弃塑料的环境污染问题引起了世界各国的高度重视,使用和开发生物降解性塑料已成为各国解决“白色污染”的重要手段之一1、产品用途•1、农业用资材•2、土木建筑材料•3、运输用缓冲包装材料•4、野外文体用品自然环境下难回收的领域•1、食品包装材料•2、卫生用品•3、日用杂货品有利于堆肥的领域•1、一次性医疗用具•2、医用材料•3、药品缓释胶囊•4、绷带医用领域2、当前技术发展状况•1、光降解塑料的研究；合成型、添加型•2、化学降解塑料的研究；氧化性、水解型•3、生物降解塑料的研究；完全生物降解、崩坏性生物降解•4、组合降解塑料的研究；光/生物降解塑料、生物/氧化降解塑料、光/氧化/生物降解塑料当前技术发展方向•1、积极地开发各种添加剂•2、通过分子设计研究和分子合成技术，不断改进配方•3、利用纤维素、淀粉、甲壳素等天然高分子材料•4、将塑料工业与细菌学结合起来•5、光/生物降解塑料具有光解和生物降解双重特性3、一次性塑料存在的问题（1）、市场应用•由于生产可降解塑料的成本偏高,造成其在市场中价格偏高,这样就给可降解塑料的推广造成了很大的影响。同时一次性纸制品的迅速崛起也给可降解塑料带来很大的冲击。（2）降解技术尚不成熟•目前很多的光降解塑料都是在塑料中添加光分解剂或者光敏剂,而这些添加剂对塑料的降解效果受到地理环境和气候的影响很大,这样就很难做到准确控制降解时间,同时,埋地部分和进入垃圾填埋系统部分也很难得到降解。目前有些所谓生物降解塑料是以简单的物理共混工艺,将淀粉填充到聚乙烯等树脂内,虽可加工吹塑成膜,但这种“降解”薄膜,待其内所含淀粉被生物降解后,其聚合物骨架在很长时间内(约20年)仍有50%残留量,反而为废弃塑料的回收加工处理增加了困难。（3）、降解塑料的标准及实验评价方法•对于降解塑料,世界上尚没有统一的定义、试验评价方法、识别标志和产品检测技术,致使缺乏正确统一的认识和确切的评价,产品市场比较混乱,真假难辩。4、生物降解塑料的市场需求（1）、生物降解塑料产能现状•生物降解塑料是一类在光热微生物等存在的条件下能够发生降解的塑料。目前，全球研发生产的生物降解塑料品种已有几十种，主要包括聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚己内酯(PCL)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)等。（2）、各种生物降解塑料产能•1、聚乳酸（PLA）•2、聚己内酯（PCL）•3、聚丁酸丁二醇酯（PBS）•4、聚羟基脂肪酸酯（PHA）•5、聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）表1、全球聚乳酸（PLA）主要生产企业及产能（kt/a)生产企业所在国家产品用途20082013~2015说明NatureWorks美国包装、纤维70140现在产能140帝人日本汽车内饰11.2TateLyle荷兰包装11Futerro比利时包装0.31.5Pyramid德国包装0.360Sybra荷兰发泡0.350浙江海正集团中国包装530湖北光华伟业中国纤维包装0.80.8长江化纤中国纤维0.051全球合计80.15290.5生产企业所在国家产品商标产能Perstorp英国CAPA20U.C.C美国TonePolymer5Daicel日本Celgreen10Biotec美国Bcoplast5Novonmont意大利Mater10光华伟业中国—2合计52表2、全球聚己内酯（PCL）主要生产企业及产能（kt/a)（3）、市场和产能供应分析•目前，生物降解塑料的总产能与通用塑料相比依然较小，生产技术原料供应生产成本依然是制约生物降解塑料产能提高的主要因素。提高生产技术依然是提升产能的首要途径。生物降解塑料的生产装置主要分布在欧美日等发达国家，且装置规模较大，中国的生物降解塑料产业仍属于起步阶段，近年发展速度较快。国家《新材料产业十二五发展规划》提出:积极开展聚乳酸等生物可降解材料研究，加快实现产业化，推进生物基高分子新材料和生物基绿色化学品产业发展。这为我国的生物降解塑料产业发展指明了方向。随着人们环保意识的提高，对生物降解塑料的需要也会越来越大，市场前景广阔。二、用户需求1、需求方案1、无毒无害2、没有异味3、原料来源广4、成本低廉5、耐热性好6、延展性好7、光照下不分解8、耐水9、耐油10、废弃后易降解11、降解后不污染环境12、在使用寿命内不易老化13、着色后不易褪色14、有一定的强度15、不易磨损16、保温效果好17、不释放有害物质18、防火、不易燃19、适量的透气性20、有韧性、不发脆21、易成型22、制作工艺简单23、高温下不发软24、低温下不发脆25、易着色26、可以印花且不易掉27、防静电28、抗氧化性好29、成型后不易变形30、可应用的场合广泛31、生产的制品光滑、匀质32、保质期长33、降解周期短33、废弃后可用作肥料34、可以回收利用2、需求组和（1）环境友好1、无毒无害2、没有异味10、废弃后易降解11、降解后不污染环境17、不释放有害物质（2）机械性质6、延展性好14、有一定的强度15、不易磨损20、有韧性、不发脆29、成型后不易变形（3）耐受性5、耐热性好7、光照下不分解8、耐水9、耐油18、防火、不易燃23、高温下不发软24、低温下不发脆27、防静电28、抗氧化性好（4）产品性能12、在使用寿命内不易老化13、着色后不易褪色16、保温效果好19、适量的透气性21、易成型25、易着色26、可以印花且不易掉30、可应用的场合广泛31、生产的制品光滑、匀质32、保质期长33、降解周期短（4）产品性能12、在使用寿命内不易老化13、着色后不易褪色16、保温效果好19、适量的透气性21、易成型25、易着色26、可以印花且不易掉30、可应用的场合广泛31、生产的制品光滑、匀质32、保质期长33、降解周期短（5）其他3、原料来源广4、成本低廉22、制作工艺简单33、废弃后可用作肥料34、可以回收利用3、产品规格•对医疗器械卫生行业、食品行业、工农业、日常生活用品行业进行调查研究，初步拟出环保型生物降解型一次性塑料的产品规格如下：•①有极好的耐水、耐油等性能；•②有适宜的保质期，不易变质；•③废弃后极易降解；•④降解后不释放污染物质，对环境没有影响；•⑤使用过程中不释放气体和其他物质；•⑥无毒无害无味；•⑦能适应的温度区间为：-20℃——200℃3、产品规格三、产品方案（1）、方案1、用氨基酸进行缩合2、聚乙烯加淀粉3、用淀粉生产4、用植物纤维素为原料5、用多糖类进行缩合6、用聚己内醇7、聚乙烯醇（PVA）型8、聚乳酸9、聚乙烯醇/淀粉合金10、二羧酸二元醇11、聚乙烯+聚乳酸12、聚乙烯+西纶淀粉13、聚乙烯+淀粉不饱和脂肪酸或酮14、聚乙烯+酯/酯化淀粉15、乙烯/丙烯酸共聚物+明胶化淀粉16、聚丁酯17、Biopol聚（3—羟基丁酸酯/3—羟基戊酸酯）18、用淀粉做基础，在对结构进行改进19、乙烯酮共聚物20、添加芳香酮21、添加金属抗氧化剂游离金属离子22、乙烯/CO共聚物23、用淀粉水解的小分子合成特殊性能的有机物，在聚合成塑料24、在塑料中接上特殊作用的官能团25、运用纳米结构使塑料成型26、在需要强度高的塑料中加入碳纤维27、在塑料总加入特殊作用的酶28、使用特殊催化剂，改变性能29、使用纳米技术30、使用活性炭改性技术31、淀粉基生物降解塑料32、用纸浆做模型塑料33、用CO2合成聚碳酸酯塑料（2）、方案分类1、（1）常规方案2、聚乙烯加淀粉6、用聚己内醇7、聚乙烯醇（PVA）型8、聚乳酸9、聚乙烯醇/淀粉合金10、二羧酸二元醇13、聚乙烯+淀粉不饱和脂肪酸或酮14、聚乙烯+酯/酯化淀粉15、乙烯/丙烯酸共聚物+明胶化淀粉17、Biopol聚（3—羟基丁酸酯/3—羟基戊酸酯）12、聚乙烯+西纶淀粉20、添加芳香酮（2）新技术方案19、乙烯酮共聚物21、添加金属抗氧化剂游离金属离子23、用淀粉水解的小分子合成特殊性能的有机物，在聚合成塑料25、运用纳米结构使塑料成型26、在需要强度高的塑料中加入碳纤维29、使用纳米技术30、使用活性炭改性技术33、用CO2合成聚碳酸酯塑料（3）环保方案1、用氨基酸进行缩合3、用淀粉生产5、用多糖类进行缩合16、聚丁酯22、乙烯/CO共聚物31、淀粉基生物降解塑料（4）新想法方案4、用植物纤维素为原料11、聚乙烯+聚乳酸18、用淀粉做基础，在对结构进行改进24、在塑料中接上特殊作用的官能团27、在塑料总加入特殊作用的酶28、使用特殊催化剂，改变性能（3）方案筛选•经过多方面考虑，经过经济性、可行性等方面考虑我们剔除一些方案，得到如下方案：2、聚乙烯加淀粉8、聚乳酸13、聚乙烯+淀粉不饱和脂肪酸或酮5、用多糖类进行缩合11、聚乙烯+聚乳酸22、乙烯/CO共聚物23、用淀粉水解的小分子合成特殊性能的有机物，在聚合成塑料33、用CO2合成聚碳酸酯塑料29、使用纳米技术31、淀粉基生物降解塑料32、用纸浆做模型塑料（4）、方案权重分析•以科学技术成熟度（W1=0.3）、成本（W2=0.2）、安全环保（W3=0.2）、方案可行性程度（W4=0.2）、公众反应（W5=0.1）五个权重因素来进行分析：方案号科技成熟度成本安全环保性方案可行性公众反应总分2887887.85789687.58877887.611788887.713777766.922766656.223779787.529768686.931889898.332898886.433868997.9经上述权重分析之后筛选出以下比较好的方案：2、聚乙烯加淀粉31、淀粉基生物降解塑料33、用CO2合成聚碳酸酯塑料四、方案的进一步确认1、方案的具体内容•聚乙烯加淀粉•1、加入增溶剂，使淀粉中的羟基发生缔合作用；•2、增加聚乙烯的极性及降解性；•3、淀粉的变性；其生产路线为：据不完全统计,目前国内有几十家工厂生产聚乙烯/淀粉降解塑料,年生产能力约为5万吨,但由于性能、价格等方面的原因,实际生产量不大,市场尚未形成.淀粉基生物降解塑料•普通淀粉粒径为25μm左右,既可作为制备降解复合材料的一种填料，又可以通过一定改性处理制备降解塑料。淀粉基生物降解塑料分为破坏性生物降解塑料和完全生物降解塑料。前者主要是指将淀粉与不可降解树脂共混，研究开发较早，是淀粉基可降解塑料研究的第一代产品。后者则包括淀粉与可降解聚酯共混材料和全淀粉塑料两种，这两种材料在使用后均能实现彻底降解，目前是国外生物降解材料开发的主流。由于淀粉的成本比普通塑料要低很多。普通食用淀粉的价格为每吨2200元