降解塑料发展回顾与展望
2006-07-11 09:39:45.0 来源：降解塑料研究会：唐赛珍 陶欣 责编：中华印刷包装网
摘要：本文概述了降解塑料的分类、用途及国内外降解塑料发展现状，浅析了发展中的问题，重点评述降解塑料今后开发趋向及市场前景。文章最后指出：降解塑料的明天是美好的。
关键词：降解塑料 环境污染
随着塑料工业技术的迅速发展，当前世界塑料总产量已超过1.5亿吨，其用途已渗透到国民经济各部门以及人民生活的各个领域，它已和钢铁、木材、水泥并列成为四大支柱材料。随着塑料产量的不断增长和用途的不断扩大，其废弃物也日益增多。由于它们用后在自然环境或垃圾场中难于降解、腐烂，因此成为经久难化、污染环境的垃圾。有资料表明，城市固体废弃物中塑料的重量比已达10％以上，体积比则达30％左右，而其中大部分是一次性塑料包装及日用品废弃物，它们对环境的污染、对生态平衡的破坏已引起了社会极大的关注，为此高效的塑料回收利用技术和降解塑料的研究开发已成为塑料工业界、包装工业界发展的重要发展战略，而且成为全球瞩目的研究开发热点。
20世纪90年代是保护地球环境愈显重要的时代，是资源、能源更趋紧张的年代，要保证经济可持续发展，保持人类安全的生存环境、洁净的生活空间，世界各国对环保技术、环保产品的研究开发都予以极大的关注。为治理那些量大、分散、脏乱、难以收集或即使强制收集进行回收利用，经济效益甚差或无效益的一次性塑料废弃物对景观和生态环境造成的污染，降解塑料应运而生，并获得了较快的发展。
一、降解塑料的分类、定义及用途
1.分类
世界上对降解塑料的分类，至今尚无统一的国际标准。但可以作为分类的原则较多，从实用角度看，按引起降解的环境条件分类较为合理且便于理解。
2.定义：
降解塑料至今世界上也还没有统一的国际标准化定义，但美国材料试验协会（ASTM）通过的有关塑料术语的标准ASTM D883－92对降解塑料所下的定义是：在特定环境条件下，其化学结构发生明显变化，并用标准的测试方法能测定其物质性能变化的塑料，这个定义基本上和国际标准ISO 472（塑料术语及定义）对降解和劣化所下的定义相一致。
根据多次国际会议研讨资料，关于降解塑料定义的制定有以下几种方法。
⑴化学上（分子水平）的定义：其废弃物的化学结构发生显著变化，最终完全降解成二氧化碳和水。
⑵物性上（材料水平）的定义：其废弃物在较短时间内，力学性能下降，应用功能大部或完全丧失。
⑶形态上的定义：其废弃物在较短时间内破裂、崩碎、粉化成为对环境无害或易被环境消纳。
表1 降解塑料的分类
3.用途
降解塑料是塑料家族中带降解功能的一类新材料，它在用前或使用过程中，与同类普通塑料具有相当或相近的应用性能和卫生性能，而在完成其使用功能后，能在自然环境条件下较快地降解成为易于被环境消纳的碎片或碎末，并随时间的推移进一步降解成为CO2和水，最终回归自然。其用途包括以下几个领域：
⑴在自然环境中应用难于回收利用的领域
①农业用资材：地膜、育苗钵、农药和肥料缓释材料、渔网具等。
②土木建筑材料：山间、海中土木工程修理用型材、隔水片材、植生网等。
③运输用的缓冲包装材料，发泡制品、片材、板材、网、绳等。
④野外文体用品：高尔夫球座、钓勾、海上运动和登山等一次性用品。
⑵有利于堆肥化的领域
①食品包装材料：食品和饮料包装薄膜（袋）、容器、生鲜食品用托盘、一次性快餐餐饮具等。
②卫生用品：纸尿布、生理卫生用品等。
③日用杂品：轻型购物袋、包装膜、收缩膜、磁卡、垃圾袋、化妆品容器等。
⑶医用材料
①一次性医疗用具：
②医用材料：手术缝线、药品缓释胶囊、骨折夹板、绷带等。
二、国内外降解塑料发展现状及问题
降解塑料的研究开发始于70年代，国内外在经历了80年代末、90年代初较大起伏、急燥发展、并带来一定浮夸的商业行为宣传后，目前对降解塑料的发展已比较理智冷静了下来，正面对现实，从资源、技术、环保、经济、市场等多方位综合考虑，研制新技术、开发新产品、开拓新市场。但从总体水平而言，当前降解塑料仍处在技术有待进一步深化研究，工艺进一步完善，并致力于提高性能、降低成本、扩宽用途和逐步推向市场化进程。
⒈国外发展现状
目前国外主要生产降解塑料的国家有美国、日本、德国、意大利、加拿大、以色列等国家，生产的品种有光降解、光/生物降解、崩坏性生物降解及完全生物降解塑料等。近年来国外各类降解塑料有了不同程度的进展，光降解技术较为成熟，而生物降解塑料的研究开发最为活跃，具有代表性的并已工业化生产的生物降解塑料如表2所示。据最近ECN报导，当前全世界完全生物降解塑料年产量约3万吨，到2001年美国、西欧、日本的生物降解塑料产量将由1996年的1.4万吨增加到7万吨，1996～2001年年均增长率35%。其中美国的产量和消费量占50%以上，西欧占1/3。美国1997年有6家公司进入生物降解塑料市场：BASF、Biol、Dow、Dupont、Monsanto和Easlman公司等。
表中所述的生物降解塑料在一定环境条件下可在较短时间内降解成二氧化碳和水，但价格高昂，约为普通塑料的6～10倍，从而其用途受到很大制约，目前除医用及高附加值包装材料外，对环境影响较大的一次性包装膜（袋）、垃圾袋、餐饮具及地膜等大宗产品市场难于涉足。为了克服价昂问题，同时为了促进其产品早日进入市场，近年来欧美日等国一方面在原有工艺上控潜、提高原料合成纯度和产品正品率，同时积极开拓新用途、如土木用隔水片材、水产养殖网具、工业和生活用磁卡以及与纸制品涂复层合等，并致力于加速实用化进程。另一方面加大力度开发天然材料与生物降解塑料、普通塑料填充、共混新产品，如德国BASF公司开发的共聚聚酯与淀粉共混材料；Biotic公司开发的淀粉/PCL共混的降解薄膜，餐具及普通塑料与天然材料填充、共混的崩坏性降解塑料；日本JSP公司开发的PCL/聚烯烃共混薄膜“バォホミロン”；美国Novon International公司的淀粉填充型聚乙烯“Ecostar”等。这些降解塑料其应用性能或降解性能虽受到一定程度影响，但其性能价格比比较适宜，易于推向市场，也有利于减轻环境污染。
表2、国外已工业化生产的生物降解塑料概况
2.国外降解塑料试验评价方法的进展
目前世界各国均投入较大的人力、物力、财力致力于降解塑料的定义，试验评价方法和标准的研究制定，并向标准化迈进。
美国材料试验学会（ASTM）率先进行降塑料标准化的制订研究工作，1989年在该学会D20塑料委员会内设立了研究制定环境降解塑料材料标准的环境降解塑料分委会，ASTM D20 96，开始研究制定在各种环境条件下塑料降解性的试验评价方法，并于1989～1996年先后制定并发布了20多项相关标准：
日本1989年成立了生物降解塑料研究会，通产省把“生物降解塑料试验评价方法”列入了国家中长期研究计划，并拨款1400多万美元进行研究。降解塑料研究会从1991年起对6种生物降解塑料选择了22个点分别进行土埋和淡水浸渍试验，1994年组织制订了生物降解塑料测试方法标准JISK6950，1994－1995年该研究会又受日本通产省委托，对采用降解塑料袋装生活垃圾进行堆肥化及生产的堆肥进行农用实际试验，据（财）日本肥料检定协会成分分析效果良好，有害成分也在限量以下。此外研究会还参与了生物降解塑料国际标准ISO的研制任务。
欧州标准化委员会CEN自90年代中期起也积极参与降解塑料标准制订研究工作，据K’98国际展鉴会资料报导，德国已制定通过堆肥实验检测生物降解塑料生物降解性的标准DIN V54900，并参与了ISO标准的研制。
ISO降解塑料的标准化工作主要在塑料技术委员会TC61和环境管理技术委员会TC 207中进行。ISO/TC61下属SCS物理化学性质组中设立了生物降解塑料试验方法工作小组WG22，主要任务是确立试验方法，TC61于1992～1997年先后在中国北京、意大利思图雷萨、日本东京、英国伦敦、加拿大蒙特利尔和瑞士达沃斯召开了第41届至第46届国际会议，提出并审议了ISO DIS 14851（水系培养液中需氧条件下生物降解率试验方法，以氧气消耗量评价）；ISO DIS 14852（水系培养液中需氧条件下生物降解率试验方法，以二氧化碳发生量评价）；ISO CD 14855（堆肥条件下的需氧生物降解试验方法，以二氧化碳发生量评价）；ISO CD 14853（水系培养液中厌氧条件下生物降解率试验方法）等国际标准草案。上述4个ISO生物降解试验方法，标准，包括需氧和厌氧两种条件，需氧法又分测定氧气消费量和二氧化碳发生量两类，营养源有活性污泥，土壤悬浮液，堆肥悬浮液等。厌氧法主要测定二氧化碳发生量和甲烷发生量，营养源为城市废水污泥。预计上述标准不久即将问世。ISO/TC207是进行环境管理领域的国际标准化工作委员会，其属下SC3分委会是负责环境标志及包括生物降解塑料和堆肥化标准的制定工作。另国际标准ISO846－1996塑料在真菌和细菌作用下的行为测定──用直观检验法或用测量质量或物性变化的评价方法也常用于定性判定降解塑料的生物降解能力。
3.国内发展现状
我国研究开发的降解塑料品种有光降解、光/生物降解、光/氧/生物降解（环境降解）、光/碳酸钙降解、完全生物降解、崩坏性生物降解塑料以及高填充碳酸钙环境友好材料等。其中光/生物降解聚乙烯塑料地膜、环境降解塑料地膜列入了国家“八五”、“九五”重点科技攻关计划，完全生物降解塑料列入了国家“九五”及863计划。从总体而言，除完全生物降解塑料外，我国降解塑料研究开发进程与世界同步，技术水平与国外先进水平接近或相当。
据不完全统计，我国已建成的双螺杆降解塑料母料（专用料）生产线上百条，能力约10万吨，已有部分企业正式投产或批量生产，年产量约几千吨，制品产量2～3万吨。国内几家主要生产降解塑料的公司概况如表3所示。
目前开拓的应用领域主要有农用、包装和日用一次性消费品，开发的产品有地膜、育苗钵、肥料袋、堆肥袋、水果网套、包装膜、食品袋、购物袋、杂品袋、垃圾袋、快餐餐具、饮料杯、台布、手套、高尔夫球座等。目前降解地膜处于示范应用阶段，一次性包装材料和日用杂品正在有序地推向市场。
1996年国家颁布《中华人民共和国固体废弃物处理法》，其中对塑料地膜及一次性包装塑料制品明确规定应当采用易回收利用，易处置或在环境中易消纳的产品。到目前为止，全国已有二十多个省市如北京、上海、广州、杭州、武汉、厦门、长春、大连等先后出台了禁用或限用普通聚苯乙烯塑料发泡餐具和25μm以下的普通聚乙烯包装袋，规定或推荐采用纸板餐具、纸浆模塑餐具、光/生物降解聚丙烯餐具和光/生物降解聚苯乙烯发泡餐盒以及降解聚乙烯塑料包装袋等。1999年国家经贸委颁布了2000年底以前淘汰聚苯乙烯泡沫快餐盒的6号令。近年来中国塑料工程学会降解塑料研究会、国家塑料制品质量监督检测中心、中国环境科学研究院积极对降解塑料的试验评价方法和标准进行研究。国家环保局中国环境标志认证委员会修订颁布了“可降解塑料包装制品技术要求”HJBZ 012—97，1999年底国家发布了《一次性可降解餐饮具通用技术条件》（GB/T 18006.1—99）、《一次性可降解餐饮具降解性能试验方法》（GB/T 18006.2—99）和《包装用降解聚乙烯薄膜》行业标准（QB/T 2461－99）。
4.发展中的主要问题
综上所述，国内外降解塑料的研究开发已取得了不小的进展，但在发展中也存在不少问题，主要有：
⑴世界上尚没有统一的定义，从而对降解塑料及它在环保中的作用缺乏正确统一的认识和确切的评价，以致引起一些争议。
⑵至今国际上还没有建立起统一的试验评价方法、识别标志和产品检测标准，致使其技术市场、产品市场比较混乱，鱼目混珠、真假难辩。
⑶降解塑料自身技术如更合理的工艺配方、准确的时控性、用后快速降解性和完全降解性、边角料的回收利用技术还有待进一步提高和完善。
5.当前国内外虽已有一些降解塑料产品进入市场，但由于价格高，特别是完全生物降解塑料高昂的价格，成为推广应用的壁垒。要推进实用化进程，成本有待于进一步降低和更趋合理。
表3、国内几家主要生产降解塑料公司概况
三、开发趋向及市场前景分析
1.开发趋向
降解塑料尽管存在种种问题和争议，但它的发展方兴未艾，主要开发趋向：
⑴根据不同用途及环境条件，进一步深化研究，并通过分子设计研究，改进配方，开发准时可控性环境降解塑料，已成为许多国家的重点攻关课题。
⑵积极研究开发高效价廉光敏剂、氧化剂、生物诱发剂、降解促进剂、稳定剂等，进一步提高准时可控性、用后快速降解性和完全降解性。
⑶为有利于一次性塑料废弃物的处理，同时保证获得取之不尽丰富的原料来源，以天然高分子、微生物合成高分子和具生物降解性的合成高分子为原料的完全生物降解塑料愈来愈受到重视，但为了克服其价昂、用途受限的缺点，加速研制生物降解塑料或普通塑料与淀粉、纤维素或无机材料填充共混或合金化技术以及完全生物降解塑料与天然材料涂复层合技术更成为热点中的热点。
⑷水解性塑料和可食性材料由于具有特殊的功能和用途而受到世界瞩目，并也成为环境适性材料的又一热点。
⑸为加速降解塑料的发展，各国正致力于加速研究和建立统一的降解塑料的定义、降解机理、评价方法和标准。
⑹探索及培育能降解普通塑料的菌株，使目前广泛使用的普通塑料用后具易降解性，以适应环保要求。同时十分重视培育可生产聚酯的生物性植物等，以降低生物降解塑料的成本，有利于推广。
2.市场前景展望
21世纪是环保世纪。降解塑料作为环保材料的一颗幼苗，其发展前景引起了社会有关方面的极大关注。
我国通过近十年的研究开发和应用实践，对影响市场前景的几点看法正不断取得了共识。
⑴必须正确认识降解塑料
通过多年的应用和跟踪研究，结合国情并从实用性、环保性、安全性、经济性综合考虑，降解塑料必须达到以下几个要求：
①实用性：具有与同类普通塑料相当或相近的应用性能和卫生性能。
②降解性：在完成使用功能后，能在自然环境条件下较快地降解，成为易被环境消纳的碎片或碎末，最终回归自然。
③安全性：降解过程中产生和降解后残留的物质对自然环境无害或无潜在危害。
④经济性：价格与同类普通塑料持平或略高。
⑵根据产品整个生命周期分析，降解塑料是治理环境污染有效途径之一。
众所周知，塑料质轻、综合性能好。根据国外从产品整个生命周期分析评价的调研资料，塑料与目前推出的以纸质替代产品比较，具有节省能量，节约资源，生产过程中排放的废气、废水少，污染程度轻，垃圾产生量也明显减少的优点。其唯一缺点是不易降解，但塑料材料发展才100年左右，比起传统材料几千年、几万年的历史，存在一些缺点也是不足为怪的。对其存在问题应采取积极方法亦即是采用科技进步的方法去解决，而不应是消极的禁用、淘汰。降解塑料的研究开发便是一种以科技进步的方法，赋予它较易降解的特性，又保留了其原有的优良性能，是一种可行的方法。
⑶对难以收集的一次性塑料产品推荐采用降解塑料，较有利于我国当前垃圾处理方式。
从我国当前和近期垃圾处理方式来分析，采用降解塑料比较符合国情。我国当前除几个大城市外，垃圾处理方法大多是垃圾搬家，由于混杂在其中的普通塑料袋、盒、杯、杂品等较难降解，遇到大风则四处飘扬，成为影响景观的“白色污染”。而如采用降解塑料取代的话，由于塑料中添加了光敏剂，生物诱发剂、降解促进剂等，因此其在光和微生物的环境条件下，可以劣化、崩坏、降解，具体表现：目测为脆化、霉变、变薄、碎裂，经仪器检测强度降低、失重、分子量下降、化学结构发生变化等。在短期内其垃圾可以减容、减量，从而达到减轻或缓解环境污染的目的。
⑷以求实的态度评价降解塑料的效果，有利于市场化进程。
根据中国农科院土肥所近十年来大田地膜覆盖跟踪试验结果及土壤化学污染和物理污染研究结果表明，我国研究开发的降解地膜对土壤中的氮、磷钾无明显影响，也未发现对土壤产生重金属元素铬、镉污染和微量元素钴、铜、镍、钼等的积累；废弃的地膜只要碎裂成16cm2以下的碎片，其在20年内的积累残留量，对土壤容量、比重、土壤水运动、孔隙、团聚体三相比污染的可能性很小，对农作物生长也无不良影响。而且聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等其主要构成是碳氢化合物，这是无毒的。基于这种认识，对降解塑料在实用上就无需苛求其在较短时间内必须降解成CO2和H2O，当然随着时间的推移，其最终也回归自然，只不过降解周期比天然材料要长一些，而比普通塑料可大大缩短。这既有利于环保，又符合国情。
⑸降解塑料与堆肥化相结合是资源再利用及治理一次性塑料废弃物对环境污染的好方法。
随着垃圾处理技术的进步和生物降解塑料的开发，堆肥化近年来开始成为欧美国家处理大规模固体废弃物的可行方法，并认为生物降解塑料与堆肥化相结合，是资源再利用及治理一次性塑料废弃物对环境污染的好办法。据了解，我国城市生活垃圾的成分也正在不断发生变化，特别是经济较发达的城市，垃圾中灰渣含量不断降低，而厨余类有机物已成为垃圾中的主要成分，这促使我国城市生活垃圾堆肥化处理具有较大的发展需求和潜力。据国外经验，为有利于堆肥化处理，所用垃圾袋必须是生物降解的塑料袋，由此可以预测，随着我国垃圾堆肥化处理的迅速发展，生物降解垃圾袋的市场潜力也是十分可观的。
⑹对聚乙烯的可生物降解性有了比较明确的认识
据国内外有关专家十多年的研究，已初步明确：聚乙烯是可生物降解的，而且聚乙烯中加入改性淀粉后可提高其生物降解性。其基本的降解机理是降解塑料制品中所含的淀粉，在短期内被土壤（或垃圾）中的微生物分泌的酶迅速降解而生成空洞，导致制品力学性能下降，并伴随空洞的生成，表面积扩大，从而增大与土壤的接触面；同时配方中添加的自氧化剂与土壤的金属盐反应生成过氢氧化物，这些过氢氧化物导致聚乙烯的链断裂而降解成为易被微生物吞噬的低分子化合物，最终回到生物圈进入自然循环。
基于以上几点共识，降解塑料的前景是乐观的。又根据国外最近资料，日本、美国、欧洲等都在加强降解塑料的研究开发及加速实用化进程。日本继成立了“生物降解塑料研究会”后，又成立了“生物降解塑料实用化检讨委员会”，据该会预测，今后10年内生物降解塑料的市场规模日本将为15万吨，全世界为130万吨。日本为了得取社会对生物降解塑料的认可，广泛向社会征集爱称，最后定为“绿色塑料”，目前降解塑料市场正在启动中。据美国Fredonia集团预测，到2000年，北美降解塑料市场的需求量将比1994年增长8.8%，其中美国增长8.6%，加拿大增长12.2%。又据欧洲Frost Sullivan公司的最新报告显示，欧洲的生物降解塑料产品市场正在迅速增长，到2004年市场销售额将由1997年的1630万美元增加到7310万美元，增加3.5倍。据预测，到2000年我国塑料包装产量300多万吨，其中难于回收的一次性塑料包装占30％计，则产生的塑料垃圾量将达100多万吨，塑料地膜产量40多万吨（目前回收利用量甚微），一次性日用杂品及医疗产品约40万吨，因此产生的塑料垃圾将近200万吨，若其中50％以降解塑料取代的话，需求量近100万吨，市场潜力是很大的。
综合以上分析，降解塑料作为高科技产品和环保产品正成为当今世界瞩目的研究开发热点。它的发展不但扩大了塑料功能，而且在一定程度上缓解了环境矛盾，对日益枯竭的石油资源是一个补充，而且从合成技术上展示了生物技术和合金化技术在塑料材料领域中的威力和前景，因此降解塑料的研究开发和推广应用，无论从地球环境保护的实际角度，或从取之不尽的可再生资源，还是从合成功能性高分子的学术角度都具有重要的意义。据此展望，降解塑料的明天是美好的。
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