生物基聚合物和塑料
过去，几乎所有的塑料和聚合物都是以化石为主。但在这几年来，市场上出现了生物聚合物。这些都是使用可再生原料（生物质）生产的。生物基聚合物是其中至少一部分聚合物由可再生原料（例如甘蔗或玉米）衍生的材料制作而成的产品。聚合物的其余部分可包含从化石资源获得的碳。更多的使用生物基材料可以帮助减少聚合物生产对气候的影响，使其更具可持续性。作为生物基聚合物供应商，可乐丽就塑料行业这一规模虽小但前景广阔领域的现状汇总了以下信息。
石油基塑料与生物基塑料
生物基聚合物是由可再生资源（例如生物质）而非传统石油原料（例如石油和天然气）合成的可持续性聚合物。在大多数情况下，合成是基于生物或生化过程。这些生物基产品是碳中性或碳抵消碳排放量。换句话说，燃烧过程不会增加大气中的二氧化碳浓度。
大量使用石油、煤炭和天然气等化石资源会对气候变化产生不良影响。由于大气中温室气体浓度增加，因此气候变化与温室气体效应之间是直接相关。最常见的温室气体是二氧化碳（CO₂), 它会在燃烧化石燃料时释放。使用更多的可再生资源将减少温室效应并减少向大气中排放CO₂。
当人类将化石基的资源引入碳循环时，它们会破坏自然平衡。从化石基产品（燃料、化学药品、塑料等）释放更多的二氧化碳增增加大气中的碳浓度，因为大多数碳排放无法通过光合作用或其他自然过程抵消。因此，大气中的二氧化碳浓度升高，导致温室效应，令全球气候变化。
传统的塑料和聚合物几乎完全由化石原料制成。在聚合物生产中更多的利用生物质等可再生资源可有助于减少温室效应。
生物基聚合物的优点
生物基聚合物是使用可再生资源（生物质）替代基于化石的原料生产。在生产链中使用生物基原料可增加最终产品中生物物质的比例，更可利用其“绿色营销主张”。
(bioplasticsmagazine.com, 2019年)
生物基并不总是意味着可生物降解
许多人，包括塑料行业的利益相关者都认为生物基意味着可生物降解。但是生物基和可生物降解的定义不相同。有些生物基聚合物可能是可生物降解的，但大部份都不能。
生物基是指材料的来源。生物基聚合物意味着该聚合物基于可再生原料。相比之下，可生物降解是一种功能属性。这意味着该材料可以被微生物分解，因为它可以为微生物提供营养。
14C方法可用于检查材料是否为生物基材料，从而符合美国测试与材料协会（ASTM）制定的ASTM D6866标准的合格证明。认证由德国的DIN CERTCO或比利时的Vinçotte颁发。最终产品可能会获得不同的认证徽标，具体取决于来自 “绿色”来源的生物基聚合物中碳的百分比。
欧洲标准DIN EN 13432和DIN EN 14995以及美国标准ASTM D6400的标准测试可确定生物降解性。在未来，研究将确定聚合物是否可生物降解，并寻找使不可降解聚合物变成可生物降解的方法。
生物降解性测试
聚合物的生物降解能力取决于其化学结构，而不是取决于其生产的原料。一半以上的生物基聚合物可以在适当的条件下进行生物降解，从而为无法收集和回收利用的塑料提供了解决方案。如果这种塑料是可生物降解的，它们就不会因微塑料而造成污染。
在不能自行生物降解的聚合物中，有些可以通过添加剂进行改性以促进其生物降解。
14C同位素的关键作用
科学家已经开发出一种特殊的方法来识别聚合物的生物基含量。该方法基于测量聚合物中天然碳同位素14C的浓度。在所有活生物体的组织中都存在非常低浓度的同位素。尽管14 C同位素不稳定，但由于有机物与环境之间的持续相互作用，其浓度仍保持不变。
当生物死亡时，它不会再从大气中吸收14C原子，因此其组织中同位素的浓度开始下降。 14C同位素的半衰期为5700年。在50,000年后，它在材料中的浓度会变得非常低，令其无法被检测。因此，化石燃料（石油、天然气、煤炭）不再包含可检测量的14C同位素，也没有用它们制造而成的产品。相比之下，使用可再生原料生产的产品具有可测量的14C浓度。因此，我们可以区分化石基塑料和生物基塑料，并确定诸如聚乙烯的塑料中的生物质浓度。
标准测试方法
各种国际标准定义了生物可降解性和可堆肥性之类的特性。为了确保符合这些标准，产品必须能被天然存在的微生物完全生物降解。
但只要它们的性能能满足预期的用途，即使不符合正式标准的生物基聚合物也是不错的材料之选。它们至少部分替代了化石资源，增加了最终产品中生物物质的份额 。
生物基聚合物的生产方法
有两种生产生物基聚合物的方法，分别是直接生产聚合物或生产生物基单体, 然后进行（生物）化学聚合。
直接生产途径包括微生物、藻类、植物和一种称为自养生物的生物的生物合成。最常见基于植物的生物聚合物是纤维素，可以大量使用。其他常见的类型是半纤维素、淀粉、菊粉和果胶。主要多糖是由动物产生的几丁质和壳聚糖。这些天然生物聚合物存在于昆虫和甲壳类动物的外骨骼中。它们也由某些类型的真菌产生。微生物也是重要的来源，尤其是细胞外多糖（EPS）。生物基聚合物的主要来源还包括细菌，真菌和藻类。
获得生物基聚合物的第二种方法是生物基单体的聚合。起点是1,3-丙二醇（PDO）。这种二价醇是厌氧发酵最古老的产物之一。它是由甘油产生的，甘油是细菌辅助下生物柴油的副产物。尽管人们认为生物柴油的广泛使用可能导致过量生产甘油，但它仍然比葡萄糖昂贵。
PDO的成功被认为是一个重要的里程碑，因为它导致了对生物基和常规单体偶联其他方法的研究，这能增加生物基材料在聚合物中的使用。 PDO的发展引致了从生物基单体合成新聚合物的过程。例子包括由乳酸生产聚乳酸（PLA）、由琥珀酸生产的聚琥珀酸丁二酯（PBS），由生物乙醇生产的聚乙烯以及由可乐丽开发的苯乙烯和β-法呢烯的氢化苯乙烯-法呢烯嵌段共聚物（HSFC）。
生物基聚合物的例子
SEPTON™ BIO系列由β-法呢烯（一种从甘蔗中获得的生物基单体）和具有50-80％的生物质含量的苯乙烯嵌段（HSFC）聚合而成。这种多功能产品具有良好的抓地性能、粘合力和阻尼性能。使用SEPTON™ BIO系列可以增加最终产品的生物质含量。
可乐丽的Liquid farnesene rubber由β-法呢烯（均聚物）或β-法呢烯和丁二烯（法呢烯-丁二烯共聚物）聚合而成。它主要用于轮胎和其他汽车零部件，从而帮助于实现更可持续的未来。
生物基聚合物行业的现状
近年来，生物基聚合物的生产变得更加专业化和差异化。许多生产商和供应商开始生产适用所有应用范围的生物基替代品。由于市场上有许多生物基聚合物生产商，因此很难监察所有计划和安装的容量并验证它们是否可运行。
感谢德国nova-Institute所进行的详细研究，包括对国际专家和从事生物基聚合物研究的人员的采访，我们可以对市场进行现实的概述。根据nova-Institute发布的新市场和趋势报告， “生物基砌块和聚合物-全球产能，产量和趋势2019-2024”显示，生物基聚合物仍然是一个小众市场。根据报告显示，2019年生物基聚合物的总产量为380万吨，仅占化石基塑料总产量的1％，但比2018年高出约3％。然而，生物基聚合物的生产能力和产量的复合年均增长率（CAGR）预期在2020年到2027年将达到13.8 %。
生物基聚合物的政治接受度低
到目前为止还未有对生物基聚合物的政治支持。政客对生物基聚合物的两个主要优点视而不见。首先，在生产过程中使用从生物质获得的可再生碳，而不是基于化石的碳。其次，当中许多都是可生物降解的。现时的生物基聚合物被认为是可持续性与经济效率之间最低限度的折衷。
2019年，欧盟立法禁止使用一次性塑料。于2021年夏季开始有其他替代品代替一次性塑料。可生物降解和/或由生物基材料生产的产品也不例外。几乎所有基于生物的和可生物降解的塑料都被赋予了与基于化石的塑料相同的地位，而且被禁止使用。只有所谓的 “天然聚合物”（换句话说，是天然产生的聚合物）才可豁免禁止使用。
总体来说，由于低油价和缺乏政治支持，目前生物基聚合物市场仍然充满挑战。
展望未来
量身定制的和完全基于生物的生物材料（聚羟基链烷酸酯[PHA]，多糖等）的生产仍然不容易，引起了人们对已建立的石油化学基聚合物（PET）的部分生物基版本的研究以及新的和部分生物基聚合物的开发。
基因工具的发展为进一步开发完全基于生物的塑料提供了希望。然而，基于目前的知识水平，这些材料仍被认为是可持续性与成本效率之间折中的最低标准。在瞬息万变的全球化市场中，价格和理想主义都不能视为推动生物基聚合物未来发展的真正动力。这些材料成功的关键在于它们的性能和特定性能。从中期来看，这些方面可能是研究的重点。
联系我们