生物塑料：它们的生产方式，类型，优势，劣势 - 环境 - 2025

的生物塑料是基于生物可降解的石化来源或生物量的聚合物的任何可锻材料。类似于从石油合成的传统塑料，它们可以模制成各种物体。

根据其来源，生物塑料可以从生物质（生物基）获得或具有石油化学来源。另一方面，取决于它们的分解水平，存在可生物降解和不可生物降解的生物塑料。

由可生物降解的淀粉聚酯制成的餐具。资料来源：斯科特·鲍尔（Scott Bauer）

生物塑料的兴起是对常规塑料产生的不便的回应。这些包括不可生物降解的塑料在海洋和垃圾填埋场中的积累。

另一方面，常规塑料具有高碳足迹和高含量的有毒元素。相反，生物塑料具有几个优点，因为它们不产生有毒元素，并且通常是可生物降解和可回收的。

生物塑料的主要缺点是它们的高生产成本和较低的抵抗力。此外，所使用的某些原材料是潜在的食品，这带来了经济和道德问题。

生物塑料物品的一些示例是可生物降解的袋子以及车辆和手机零件。

生物塑料的特征

生物塑料的经济和环境重要性

用生物塑料制成的各种实用物品。资料来源：HwajaGötz，通过Wikimedia Commons

最近，人们对从可再生原料生产可生物降解的塑料产生了更大的科学和工业兴趣。

这是由于以下事实：世界上的石油储备正在枯竭，并且人们对由石油塑料造成的严重环境破坏有了更多的认识。

随着世界市场对塑料需求的增长，对生物可降解塑料的需求也在增加。

生物降解性

可生物降解的生物塑料废物可被视为有机，快速降解且无污染的废物。例如，由于它们可以通过生物过程自然回收，因此可以用作堆肥中的土壤改良剂。

生物塑料有无数的商业用途。资料来源：F. Kesselring，FKuR Willich，通过Wikimedia Commons

生物塑料的局限性

可生物降解的生物塑料的制造面临着巨大的挑战，因为生物塑料的性能不及石油塑料，而且其应用尽管增长，但受到限制。

改善生物塑料的性能

为了改善生物塑料的性能，正在开发与各种类型的添加剂的生物聚合物共混物，例如碳纳米管和化学改性的天然纤维。

通常，应用于生物塑料的添加剂可改善以下性能：

• 刚性和机械阻力。
• 对气体和水的阻隔性能。
• 热阻和热稳定性。

这些特性可以通过化学制备和加工方法设计到生物塑料中。

生物塑料是如何生产的？

用于热塑性淀粉包装的生物塑料。资料来源：Nova-Institut GmbH的Christian Gahle

-历史简介

生物塑料早于常规的石油衍生的合成塑料。使用植物或动物物质的聚合物生产塑料材料的历史可以追溯到18世纪，当时使用的是天然橡胶（巴西橡胶树胶乳）。

第一个生物塑料尽管没有命名，但由约翰·韦斯利·凯悦（John Wesley Hyatt Jr.）于1869年开发，他生产了一种由棉纤维素衍生的塑料，以替代象牙。同样，在19世纪末，牛奶中的酪蛋白被用于生产生物塑料。

在1940年代，福特公司探索了使用蔬菜原料制造汽车零件的替代方法。这一研究路线是由于战争对钢铁使用的限制而引起的。

因此，在1941年，该公司开发了一种汽车模型，其车身主要由大豆衍生物制成。但是，战争结束后，这一倡议没有继续。

到1947年，生产了第一种工业用生物塑料，即聚酰胺11（Rilsan作为商标）。后来，在90年代，出现了PLA（聚乳酸），PHA（聚羟基链烷酸酯）和增塑淀粉。

-原材料

生物基生物塑料是由植物生物质制成的塑料。以下是生物基原料的三种基本来源。

生物质天然聚合物

可以使用由植物直接制成的天然聚合物，例如淀粉或糖。例如，“马铃薯塑料”是由马铃薯淀粉制成的可生物降解的生物塑料。

由生物质单体合成的聚合物

第二种选择是由从植物或动物来源中提取的单体合成聚合物。该路线与前一条路线的区别在于，此处需要进行中间化学合成。

例如，Bio-PE或绿色聚乙烯由从甘蔗获得的乙醇生产。

生物塑料也可以从动物来源生产，例如蛋壳蛋白糖胺聚糖（GAGs）。这种蛋白质的优点是可以获得更具抗性的生物塑料。

基于细菌培养的生物技术

生产用于生物塑料的聚合物的另一种方法是通过细菌培养物的生物技术。从这个意义上讲，许多细菌合成并存储了可以提取和加工的聚合物。

为此，将细菌在合适的培养基中大量培养，然后进行处理以纯化特定的聚合物。例如，PHA（聚羟基链烷酸酯）是通过在具有过量碳且没有氮或磷的培养基中生长的不同细菌属合成的。

细菌以颗粒形式将聚合物储存在细胞质中，通过处理细菌团块将其提取。另一个例子是PHBV（聚羟基戊酸戊酸酯），它是从细菌中获得的，糖中含有从植物残渣中获得的糖。

以这种方式获得的生物塑料的最大局限性在于生产成本，这主要归因于所需的培养基。

天然聚合物和生物技术聚合物的结合

俄亥俄州大学通过将天然橡胶与生物塑料PHBV，有机过氧化物和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）相结合，开发出了一种相当坚固的生物塑料。

-生产过程

生物塑料可通过各种方法获得，具体取决于原材料和所需的性能。生物塑料可以通过基本过程或更复杂的工业过程获得。

基本流程

在使用天然聚合物如淀粉或玉米或马铃薯淀粉的情况下，可以完成烹饪和成型。

因此，生产生物塑料的基本配方是将玉米淀粉或马铃薯淀粉与水混合，并添加甘油。随后，将该混合物蒸煮直至变稠，成型并干燥。

中等复杂性流程

在用由生物质单体合成的聚合物生产生物塑料的情况下，过程稍微复杂一些。

例如，从甘蔗乙醇获得的Bio-PE需要一系列步骤。首先是从甘蔗中提取糖，通过发酵和蒸馏获得乙醇。

然后将乙醇脱水，得到必须聚合的乙烯。最后，使用热成型机，基于这种生物塑料制造物体。

复杂且昂贵的流程

当提及由通过生物技术获得的聚合物生产的生物塑料时，复杂性和成本增加。这是因为涉及细菌培养，需要特定的培养基和生长条件。

此过程基于以下事实，即某些细菌会生成能够存储在其中的天然聚合物。因此，从适当的营养元素开始，对这些微生物进行培养和加工以提取聚合物。

生物塑料也可以由某些藻类（例如，Botryococcus braunii）制成。这种微藻能够产生碳氢化合物，甚至将其排入环境，从中获得燃料或生物塑料。

-生产基于生物塑料的产品

基本原理是物体的成型，这要归功于这种化合物在压力和热量作用下的塑性。通过挤压，注射，注射和吹塑，预成型坯吹塑和热成型进行加工，最后进行冷却。

种类

由醋酸纤维素制成的包装。资料来源：Nova-Institut GmbH的Christian Gahle

生物塑料分类的方法是多种多样的，并且并非没有争议。无论如何，用于定义不同类型的标准是分解的起源和级别。

-起源

根据通用方法，可以将生物塑料按其来源分类为生物基或非生物基。在第一种情况下，聚合物是从植物，动物或细菌的生物质中获得的，因此是可再生资源。

另一方面，非生物基生物塑料是由石油合成的聚合物生产的。但是，由于它们来自不可再生资源，因此一些专家认为不应将它们视为生物塑料。

-分解程度

关于分解的程度，生物塑料可以是可生物降解的或不可生物降解的。当处于合适的条件下时，可生物降解的物质在相对短的时间内（几天到几个月）分解。

就其本身而言，不可生物降解的生物塑料的行为类似于石油化学来源的常规塑料。在这种情况下，衰减周期以几十年甚至几个世纪为单位。

关于这一标准也存在争议，因为一些学者认为，真正的生物塑料必须是可生物降解的。

-原产地和生物降解

将之前的两个标准（起源和分解程度）组合在一起时，生物塑料可以分为三类：

1. 来自可再生原料（生物基）和可生物降解。
2. 从可再生原料（生物基）获得的那些，但不可生物降解。
3. 从石油化学来源的原料获得，但可生物降解。

重要的是要注意，为了将聚合物视为生物塑料，它必须输入这三种组合之一。

生物基可生物降解

在生物基和可生物降解的生物塑料中，我们有聚乳酸（PLA）和聚羟基链烷酸酯（PHA）。PLA是使用最广泛的生物塑料之一，主要从玉米中获得。

这种生物塑料具有与聚对苯二甲酸乙二酯（PET，常规的聚酯型塑料）相似的性能，尽管它对高温的抵抗力较小。

就其本身而言，PHA具有可变的特性，具体取决于构成它的特定聚合物。它是从植物细胞或通过细菌培养的生物技术获得的。

这些生物塑料对加工条件非常敏感，其成本比传统塑料高出十倍。

该类别的另一个例子是PHBV（多羟基丁酸戊酸酯），它是从植物残骸中获得的。

生物基不可生物降解

在这一组中，我们具有生物聚乙烯（BIO-PE），其性能与常规聚乙烯相似。就其本身而言，Bio-PET具有类似于聚对苯二甲酸乙二酯的特性。

两种生物塑料通常都由甘蔗制成，获得了生物乙醇作为中间产物。

生物聚酰胺（PA）是一种具有出色隔热性能的可回收生物塑料，也属于此类。

-非生物基生物可降解

可生物降解性与聚合物的化学结构有关，与所用原料的类型无关。因此，可以通过适当的加工从石油获得可生物降解的塑料。

这种类型的生物塑料的一个例子是聚己内酯（PCL），用于制造聚氨酯。这是从石油衍生物（如聚丁二酸丁二酯（PBS））获得的生物塑料。

优点

由PLA（聚乳酸）制成的糖果包装纸。资料来源：F. Kesselring，FKuR Willich

它们是可生物降解的

尽管并非所有生物塑料都是可生物降解的，但事实是，对于许多人而言，这是其基本特征。实际上，寻求该特性是生物塑料繁荣的基本引擎之一。

常规的石油基和不可生物降解塑料需要数百甚至数千年才能分解。这种情况是一个严重的问题，因为垃圾填埋场和海洋充满了塑料。

由于这个原因，生物可降解性是非常相关的优势，因为这些材料可以在数周，数月或数年内分解。

他们不污染环境

由于生物塑料是可生物降解的材料，因此它们不再作为垃圾占据空间。此外，它们还具有其他优点，即在大多数情况下，它们不含可释放到环境中的有毒元素。

它们的碳足迹较低

与传统塑料相比，在生物塑料生产过程中以及分解过程中，释放的二氧化碳都更少。在许多情况下，它们不会释放甲烷或排放的甲烷数量很少，因此对温室效应的影响很小。

例如，由甘蔗中的乙醇制成的生物塑料与从石油中提取的生物塑料相比，最多可减少75％的二氧化碳排放量。

更安全地携带食物和饮料

通常，在生物塑料的制造和组成中不使用有毒物质。因此，它们所含食品或饮料的污染风险较小。

与可以产生二恶英和其他污染成分的常规塑料不同，生物基生物塑料是无害的。

缺点

缺点主要与所用生物塑料的类型有关。除其他外，我们有以下内容。

阻力较小

大多数生物塑料与常规塑料相比的局限性在于其较低的抵抗力。但是，这种性质与其生物降解能力有关。

成本较高

在某些情况下，用于生产生物塑料的原材料要比石油原材料贵。

另一方面，某些生物塑料的生产意味着更高的加工成本。特别是，这些生产成本比通过生物技术工艺（包括细菌的大规模培养）生产的成本更高。

使用冲突

用食品原料生产的生物塑料可以满足人类的需求。因此，由于将作物专用于生物塑料的生产更为有利，因此将其从食品生产流程中删除。

但是，该缺点不适用于从不可食用废物中获得的生物塑料。在这些废物中，我们有农作物残留物，不可食用的藻类，木质素，蛋壳或龙虾外骨骼。

它们不容易回收

PLA生物塑料与传统的PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）塑料非常相似，但不可回收。因此，如果将两种类型的塑料混合在回收容器中，则该含量不能回收。

在这方面，人们担心越来越多的使用PLA会妨碍现有的塑料回收工作。

用生物塑料生产的产品的实例及其用途

用农业废料和菌丝体的生物塑料制成的葡萄酒容器。资料来源：Mycobond

-一次性或一次性物品

产生最多废物的物品是与快餐和购物袋相关的容器，包装纸，盘子和餐具。因此，在该领域中，可生物降解的生物塑料起着相关的作用。

为此，已经开发了多种基于生物塑料的产品以影响废物的减少。我们拥有巴斯夫Ecovio制成的可生物降解袋或西班牙Safiplast从玉米获得的PLA制成的塑料瓶。

水胶囊

这家Ooho公司用水制成的可生物降解的胶囊代替了传统的瓶装水。该建议非常具有创新性并取得了成功，并且已经在伦敦马拉松比赛中得到了验证。

农业

在某些农作物（如草莓）中，通常的做法是用塑料布覆盖土壤，以控制杂草并避免结冰。从这个意义上讲，已经开发了诸如Agrobiofilm之类的生物塑料衬垫来替代传统的塑料。

-耐用应用的对象

生物塑料的使用不限于使用和处置的对象，而是可以用于更耐用的对象。例如，Zoëb Organic的公司生产沙滩玩具。

复杂设备组件

丰田在某些汽车零件中使用生物塑料，例如空调和控制面板的零件。为此，它使用生物塑料，例如Bio-PET和PLA。

富士通使用生物塑料制造计算机鼠标和键盘部件。以三星公司为例，某些手机的外壳主要由生物塑料制成。

-建筑与土木工程

淀粉生物塑料已被用作电气设备中的建筑材料和纳米纤维增强生物塑料。

此外，它们还被用于生产生物塑料家具木料，这种木料不会受到木耳昆虫的攻击，并且不会因潮湿而腐烂。

-药物应用

它们由含有药物和缓慢释放的药物和药物媒介的生物塑料胶囊制成。因此，药物的生物利用度随时间（患者在给定时间内接受的剂量）而受到调节。

-医疗应用

已经制造出可用于植入物，组织工程，甲壳质和壳聚糖生物塑料的纤维素生物塑料，用于伤口保护，骨组织工程和人类皮肤再生。

还已经制造出用于生物传感器的纤维素生物塑料，用于制造牙科植入物的与羟基磷灰石的混合物，导管中的生物塑料纤维等。

-空，海，陆运输和工业

在工业和运输设备中都使用了基于植物油（生物塑料）的硬质泡沫。汽车零件和航空零件。

手机，计算机，音频和视频设备的电子组件也已由生物塑料制成。

-农业

吸收并保留水分并能缓慢释放水分的生物塑料水凝胶，可用作耕种土壤的保护毯，可保持其湿度，并有利于干旱地区和雨季少的农业种植园的生长。

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