澱粉基塑膠

澱粉基塑膠是利用化學反應對澱粉進行化學改性，減少澱粉的羥基、改變其原有的結構，從而改變澱粉相應的性能，把原澱粉變成熱塑性澱粉.

基本介紹

• 中文名：澱粉基塑膠
• 所屬行業：工業製造
• 所屬領域：化工製造
• 套用領域：塑膠製造

研發背景

澱粉是地球上產量僅次於纖維素的天然高分子，它來源豐富、可再生、價格低廉，通過改性塑化可用於生產澱粉基塑膠。澱粉基塑膠作為生物基材料中的一個重要品類，已經成功實現產業化生產和套用。澱粉基塑膠是以澱粉為主要原材料，經過改性塑化後再與其它聚合物共混加工而成的一種塑膠產品，屬於生物塑膠的一種。澱粉基生物塑膠可分為生物基塑膠和生物降解塑膠兩大類。

澱粉基生物降解塑膠一般是改性澱粉與生物降解聚酯(如PLA/PBAT/PBS/PHA/PPC等)的共混物，它能夠完全生物降解，可堆肥，對環境無污染，廢棄物適合堆肥、填埋等處理方式。以澱粉為基礎的生物基塑膠一般是改性澱粉與聚烯烴(如PP/PE/PS等)的混合物，它的環保意義在於能夠減少石化資源的使用，減少二氧化碳排放，廢棄物適合焚燒處理。這兩種材料都可以代替傳統石油基塑膠，廣泛用於塑膠包裝材料、防震材料、塑膠膜及塑膠袋、一次性餐飲具、食品容器、玩具等。

工藝原理

澱粉是一種天然高分子聚合物，其分子中含有大量羥基（分子結構為Ⅱ和Ⅲ），因此澱粉大分子間相互作用力很強，導致原澱粉難以熔融加工，而且在和其他聚合物共混加工中和其他聚合物的相容性也差。但這些羥基能夠發生酯化、醚化、接枝、交聯等化學反應。利用這些化學反應對澱粉進行化學改性，減少澱粉的羥基、改變其原有的結構，從而改變澱粉相應的性能，把原澱粉變成熱塑澱粉。

1、酯化、酯交換或醚化反應
為了將澱粉的親水性改為疏水性，使澱粉分子上的羥基與脂肪酸、脂肪酸酯等發生酯化、酯交換反應，生成澱粉酯。

2、交聯反應

為了提高澱粉材料的強度和耐熱性，將澱粉與具有兩個或兩個以上官能團的化合物（如多元酸等）進行交聯反應，使澱粉發生適度交聯。

3、共混改共聚自主創新
多數澱粉塑膠的製備技術都是將澱粉與其它高分子材料填充共混，這樣得到的產品由於相容性差強度不高，使用範圍受限。澱粉基塑膠在澱粉改性過程中還將澱粉進行共聚反應，得到澱粉與其它高分子的接枝共聚物，從而改善了澱粉與其他高分子材料的相容性。通過化學改性，實現了澱粉三改性：親水性改為疏水性；熱敏性改為耐溫性；硬脆性改為可塑性。這樣改性解決了澱粉改性這一世界性難題，為後續加工奠定了良好的基礎。

發展狀況

澱粉基生物塑膠已有30年的研發歷史，是研發歷史最久、技術最成熟、產業化規模最大、市場占有率最高的一種生物降解塑膠。20世紀80年代初期，研究開發改性澱粉和可完全生物降解或可溶性塑膠的降解塑膠合金母料，澱粉與可生物降解樹脂的共混受到重視。其中，最成功的是義大利Novamont公司的“MaterBi”，它是由變性澱粉與改性聚乙烯醇共混構成的互穿網路結構高分子塑膠合金，具有良好的加工性能、二次加工性、力學性能和優良的生物降解性。另外，美國Air Product&Chemical公司開發的“Vinex”是以聚合度較低的聚乙烯醇為基礎的樹脂，同時具有水溶性、熱塑加工性和生物降解性，近年來受到了極大的重視。

近年來，各國普遍將研究重點轉向儘可能提高澱粉含量的塑膠上，並開發出一些性能優異的完全降解材料，甚至得到不含合成聚合物的純澱粉產品，即熱塑性澱粉。美國Warner-Lambert公司生產的“Novon”生物降解材料，澱粉含量可達90%以上；日本玉米公司和密西根生產技術研究所聯合開發出一種高澱粉含量材料，這種材料具有耐水性強的優點；另外，日本住友商公司、義大利Ferrizz公司等也宣稱研究成功含澱粉量在90%的全澱粉塑膠。在把澱粉製成熱塑性澱粉用於生產生物降解塑膠方面，德國Batekke研究所、美國Warner-Lambert公司和瑞士大學等研究機構都取得了較大的進展。澳大利亞國家食品加工與包裝科學中心推出了一種全澱粉熱塑性塑膠，具有良好的流動性、延展性、脫模性，產品柔軟、透明、強度高，降解速率可控，可用來製造農膜、食品包裝膜等產品。

中國的澱粉塑膠首先由江西科學院套用化學研究所於20世紀80年代後期研製成功。據不完全統計，現在參與研究的高等院校、科研院所及企業有60多家。我國在澱粉基塑膠研發方面正在逐漸縮小與國外已開發國家的差距。目前，國內澱粉基材料及製品主要生產企業及現狀如下：武漢華麗4萬噸/年，正在籌建年產6萬噸的生產線；深圳虹彩1.5萬噸/年；蘇州漢豐1萬噸/年；浙江天禾1萬噸/年；浙江華發1萬噸/年；山東必可成1萬噸/年；其它生產企業還包括南京比澳格、常州龍駿等。

採用化學方法對澱粉進行改性塑化，所得改性澱粉具有三大特點：1、疏水性。澱粉經化學改性後完全疏水，並且水分含量<1%，與其它合成高分子材料具有良好的相容性。2、耐溫性。改性澱粉在熱塑加工過程中可承受230℃的高溫而不變黃、不分解。3、熱塑性。改性澱粉能夠在塑膠加工設備上熱塑加工。公司生產的澱粉基塑膠分為生物基和生物降解兩大系列，按加工工藝不同分為吹膜料、注塑膠、片材料和發泡料等，可替代普通石化塑膠廣泛用於工業、醫藥、食品、電器等產品的包裝和餐飲具、廚具、玩具以及花卉種植等領域。從而大量節約石油資源，減少二氧化碳排放，實現垃圾無害化處理，而且有利於促進農業發展和農民增收，促進循環經濟的大力發展。

2018年7月12日報導，余龍在世界上首次成功研製並產業化了全澱粉可生物降解材料。

產品優勢

與傳統塑膠製品相比，澱粉基材料及製品的優勢表現在以下方面：

⑴性能相近：具有與同類傳統塑膠製品相同和相近的使用性能；

⑵環保：澱粉基生物基塑膠及製品具有節約石油資源、減少二氧化碳排放的優勢；澱粉基生物降解塑膠及製品具有完全生物降解、可堆肥，實現垃圾無害化處理的優勢；

⑶安全：澱粉基材料及製品不含塑化劑、雙酚A、重金屬等有毒有害物質。食品級材料符合國內外食品級塑膠相關標準要求；

⑷生產工藝：生產過程無三廢排放，不會對環境造成新的污染；

⑸成本：澱粉基生物基塑膠料及製品與普通石油塑膠製品持平，澱粉基全生物降解材料及製品的成本約是普通石油塑膠的兩倍。

認證體系

近年來，國內外逐漸認可生物基產品的環保性能，從而使生物基材料的套用領域得到了很大的拓展。生物基材料的生物碳含量是區別於普通塑膠的重要特徵。生物碳含量的定義是產品中生物碳占有機碳(包括生物碳和化石碳)的百分比。由於生物碳屬於新碳，對環境不造成污染，因此，具有很好的環保效果。生物碳含量檢測標準包括美國ASTM D6866-08：用放射性碳分析法測定固體、液體和氣體試樣生物含量的試驗方法和中國GB/T29649-2013生物基材料中生物基含量測定液閃計數器法。由於同時代的生物體內均含有等量的放射性碳元素，ASTM D6866的原理就是藉助生物體的此種特性來測量任何狀態下樣品的生物基含量；這種測定方法可以測定任何生物基產品和生物基混合產品內所含的生物基或是可再生物質的精確百分比。

在2009年比利時權威認證機構Vincotte就頒發了全球首批OK Biobased星級認證產品認證證書，對生物基材料的生物碳含量進行了權威的等級認證，也為生物基材料市場的產品質量提供了可靠的第三方評價。OK-Biobased是比利時對生物基低碳產品的環保標識，生物基塑膠生產廠家取得認證後可以將其標籤貼在產品外包裝上或者產品上，以區分普通石化產品。它基於生物碳的含量對生物基材料進行界定，用生物碳含量和總碳含量的百分比進行評價，其標準為ASTM D6866，對材料實行星級區分，是歐盟權威的生物基材料認證標識。OK Biobased標識使用星號來區分產品的環保等級。一個認證產品取得1星標識證明其產品含有20%~40%的生物碳，2星為40%~60%，3星為60%~80%，而4星則為超過80%生物碳含量的產品。Vincotte的OK Biobased認證目的在於幫助企業或者經銷商提高可再生產品的市場競爭力，引導消費者更好的選擇環保產品。

為鼓勵生物基材料及產品的發展，美國農業部實行了生物優先計畫。該計畫有兩種程式，一種為政府採購優先計畫和針對消費者的自願標識計畫。前者是於2002年鼓勵生物基產品的發展設立，而後者於2008年發布。生物優先計畫的目的在於激勵美國生物質產品的消費。聯邦政府機構及其承包商優先購買最高生物質含量的產品。如果產品符合美國農業部生物基產品列表的生物基含量的最低標準，任何工廠和經銷商均可以參與此計畫，可在產品包裝上貼上認該機構頒發的證標識。

國際上生物降解塑膠的認證包括比利時OK Compost認證，德國Compostable認證，美國BPI認證。

OK Compost是依據生物分解材料的檢測標準EN13432或ASTM D6400進行檢測後，由比利時認證機構AIB-Vincotte Group頒發的名稱為“OK Compost”的可堆肥認證。OK Compost認證目的在於幫助企業或者經銷商提高全降解產品的市場競爭力，引導消費者更好的選擇環保產品。

Compostable認證是有德國萊茵TUV集團與德國標準化協會(Deutsches Institut fr Normun，簡稱DIN)的聯營認證機構DIN CERTCO推出的對生物降解產品的認證。認證標識為“seeding”標識。Compostable認證可幫助買家從眾多供應商及製造商中篩選出質量、安全、環保皆嚴格把關的產品。與此同時，帶有Compostable標誌的產品表明已成功通過權威第三方機構的測試和評估，有助於增強客戶的購買信心，有效促進產品銷量。而且持證人相關資料可在DIN CERTCO官方網站進行查詢，以防濫用或偽造標誌。

BPI是BiodegradableProductsInsitute(可降解產品協會)的縮寫。BPI通過創新的可堆肥標籤方案，教育生產商、立法者和消費者關於可降解材料的科學標準。同時通過一系列程式確保相關產品達到可降解材料標準的要求。

國內武漢華麗環保首批獲得OK Biobased認證的中國企業，已經獲得四個星級的生物基產品認證。同時，公司的生物降解材料獲得了OK Compost認證和Compostable認證。

套用前景

隨著消費者對塑膠產品偏好的逐漸轉移，可再生環保材料受市場追捧熱度不斷升溫。受其影響，生物基塑膠市場需求力度加大。隨著各國政府對生物塑膠的重視，預計2020年全球生物塑膠的需求總價值將增至59億美元，相當於以平均每年20%的比率增長。

近日，法國議會通過了關於能源過渡和綠色增長的法律。新法律除了減少核能在法國能源結構中的比重之外，還包含與可再生能源和塑膠包裝有關的立法建議。例如，到2030年可再生能源增長40%以及到2030年二氧化碳減排40%；用於包裝水果和蔬菜的輕量級包裝袋將於2017年1月1日開始必須以生物基材料製成；此外，用於商業郵件的塑膠包裝也將在同一時間以相同的標準執行。法國政府最新立法，要求碗碟杯叉等一次性餐具必須用生物基原料製作，而不使用石油基原料。

RnR Market Research諮詢公司市場分析師日前作出預測稱，未來4年全球生物基塑膠需求將以19%的年增長率上漲，2017年其市場需求量將達950,000噸。歐洲是全球最大的生物基塑膠消費市場。2012年該地區生物基塑膠使用量占全球總量一半以上。調查報告顯示，與傳統塑膠相比，歐洲各國消費者更偏向於選擇新型生物基塑膠製品。因此，該地區有望繼續領跑生物基塑膠消費排行榜。在種類方面，未來幾年澱粉基塑膠和聚乳酸依舊是需求量最大的生物基塑膠，其市場消費量將占總量的60%以上。RnR Market Research公司稱，近年來各國相繼出台限塑令，不斷加大對傳統塑膠使用的監管力度，這有利於進一步推高生物基尤其是澱粉基塑膠的需求走勢。

2013年，國務院出台《生物產業發展規劃》（以下簡稱《規劃》），《規劃》指出將加快生物基材料、生物基化學品、新型發酵產品的產業化與推廣套用，還將建立生物基產品的認證機制，研究制定生物基產品消費的市場鼓勵政策以及農業原料對工業領域的配給制度。

2014年2月，吉林省印發了省政府第244號令———《吉林省禁止銷售和提供一次性不可降解塑膠袋、塑膠餐盒規定》，即“禁塑令”，從2015年1月1日起該規定將正式實施，違反規定最高可處以3萬元罰款。同時這也標誌著吉林省成為全國首個全面實施“禁塑令”的省份。

2014年12月，國家發改委、財政部下發了《關於2014年生物基材料專項實施方案的復函》，批覆了天津、深圳、武漢、長春4個城市生物基材料產業發展實施方案，未來3年，中央財政將採取滾動方式支持試點建設。《生物基材料製品套用示範實施方案》以區域集群建設和製品套用為發展載體，通過需求側拉動和供給側推動相結合，推進非糧生物基材料產業鏈式發展，建設高密度、高水平、產學研用有機結合、引領示範作用顯著的產業集群，加快可再生、可降解的生物基材料製品套用示範。

另有廣州、杭州、南京等地方政府推動垃圾分類，招標使用可降解垃圾袋收集廚餘垃圾。

為打造資源節約型、環境友好型社會，未來國家將推出更多扶持生物塑膠行業的利好政策，如禁塑令等政策，推動生物基和生物降解塑膠的良性發展。澱粉基生物塑膠作為一種最具價格優勢的生物基材料，必將得到快速發展。