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生物塑膠

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生物塑膠（英語：Bioplastic），又稱生質塑膠，可細分為「生物基塑膠」（英語：Bio-based Plastic）和「生物可降解塑膠」（英語：Biodegradable plastic）這兩種類型。

生物基塑膠（又稱生質基塑膠），是以可再生的生物質原料來源所製成的塑膠，其生物質原料佔總原料比例至少20%以上（或是25%以上）才會歸類為「生物基塑膠」[1]，其來源包括但不限於植物油，玉米澱粉，豌豆澱粉[2]，秸稈，木糠以及微生物群[3] ，稻草，木片，回收食物垃圾等。一些生物塑膠是通過直接加工天然生物聚合物，包括多糖（例如澱粉、纖維素、殼聚糖和海藻酸）而獲得的。 和蛋白質（例如大豆蛋白、麩質、和明膠），而其他的則由來自植物或動物的糖衍生物（例如乳酸）和脂質（油和脂肪）化學合成，或通過糖或脂質發酵的生物產生。 相比之下，常見的塑膠，例如化石燃料塑膠（也稱為石油基聚合物），源自石油或天然氣。

一般的塑膠從化石燃料中提煉而成，而生物基塑膠在生產過程中減少使用或者不使用化石燃料，產生相對較少的碳排放。[4] 但生物基塑膠不應與環保劃等號。

生物基塑膠不同於生物可降解塑膠（英語：Biodegradable plastic），由生物質製成的塑膠不必然能被生物降解，是否可降解取決於分子的化學結構，與它如何被製成無關。而生物可降解塑膠僅定義材料是否可被生物降解，與它原料來源種類是否為生物質無關。例如常見塑膠中，PET可以由生物合成而不可被生物降解，而PLA既可以由生物合成又可以被生物降解；反之，PCL由化石燃料製成但可以被生物降解。生物塑膠依然需要遵循和一般塑膠相同的回收流程以避免污染。

2018年，生物塑膠占全球塑膠產能的2%（大於3.8億噸）。[5] 隨著研發與市場投入的增長，這一數字還在逐年攀升。

應用

生物塑膠常用於一次性物品，比如包裝袋、各類餐具、飲料瓶及吸管。非棄置性的應用包括手機外殼、地毯纖維、汽車內飾、燃料管路和塑膠管道。受制於成本，生物塑膠的商業用途並不廣泛。

仍在研發中的電活性生物塑膠，有望作為電流載體實現有機電子學的應用。[6]

聚乳酸（PLA）製成的醫療植入物可溶解在人體內，省去了病人的二次手術。PLA製成的可降解農業覆蓋膜，通常不需要在使用後回收，而可以留在田裡。[7]

  • 生物降解塑膠的廚具
    生物降解塑膠的廚具
  • 由生物塑膠和其他生物降解塑膠製成的塑膠包裝
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  • 由PLA混合生物柔性材料製成的鮮花包裝
    由PLA混合生物柔性材料製成的鮮花包裝

類型

美國農業部開發可食用酪蛋白薄膜外包裝[8]

多糖基生物塑膠

澱粉基塑膠

生物塑膠（熱塑性澱粉）製成的塑膠包裝材料

熱塑性塑膠澱粉是使用最廣泛的生物塑膠，約占生物塑膠市場的 50%[9]。 簡單的澱粉生物塑膠薄膜可以通過澱粉糊化和聚合物溶液澆鑄在家中製成[10]。 純澱粉能夠吸濕，因此是製藥行業生產藥物膠囊的合適材料。 然而，純澱粉基生物塑膠很脆。 還可以添加甘油、乙二醇、山梨糖醇等塑化劑，使澱粉也可以進行熱塑性加工[11]。 所得生物塑膠（也稱為「熱塑性澱粉」）的特性可以通過調整這些添加劑的含量來滿足特定需求。傳統的聚合物加工技術可用於將澱粉加工成生物塑膠，例如擠出、注射成型、壓縮成型和溶液澆鑄[11]。澱粉生物塑膠的性能很大程度上受直鏈澱粉/支鏈澱粉比例的影響。 一般來說，高直鏈澱粉具有優異的機械性能[12]。 然而，高直鏈澱粉由於糊化溫度較高[13]和熔融粘度較高，加工性能較差[14]。

澱粉基生物塑膠通常與可生物降解的聚酯共混，生產澱粉/聚乳酸[15]、澱粉/聚己內酯[16]、或澱粉/Ecoflex[17]（巴斯夫生產的聚己二酸-對苯二甲酸丁二酯[18]）共混物。 這些混合物用於工業應用，也可堆肥。 其他生產商，例如羅蓋特 (Roquette)，已經開發了其他澱粉/聚烯烴混合物。 這些混合物不可生物降解，但比用於相同應用的石油基塑膠具有更低的碳足跡[19]。

澱粉是廉價的、豐富的且可再生的[20]。

澱粉基薄膜（主要用於包裝目的）主要由澱粉與熱塑性聚酯混合製成，形成可生物降解和可堆肥的產品。這些薄膜特別適用於雜誌包裝紙和氣泡膜等消費品包裝。 在食品包裝中，這些薄膜被視為麵包袋或水果和蔬菜袋。 帶有這種薄膜的堆肥袋可用於選擇性收集有機廢物。[20] 此外，澱粉基薄膜還可用作紙張[21][22]。

澱粉基納米複合材料已被廣泛研究，顯示出改善的機械性能、熱穩定性、防潮性和氣體阻隔性能[23]。

纖維素基塑膠

由醋酸纖維素（一種生物塑膠）製成的包裝泡罩。

纖維素生物塑膠主要是纖維素酯（包括醋酸纖維素和硝化纖維素）及其衍生物，包括賽璐珞。

纖維素經過廣泛改性後可以變成熱塑性材料。 醋酸纖維素就是一個例子，它價格昂貴，因此很少用於包裝。 然而，由於纖維素纖維的親水性低於澱粉，因此添加到澱粉中的纖維素纖維可以改善機械性能、氣體滲透性和耐水性[20]。

上海大學的一個研究小組能夠通過熱壓方法製造出一種基於纖維素的新型綠色塑膠[24]。

其他多糖基塑膠

其他多糖如殼聚糖和海藻酸也可以加工成塑膠形式。 殼聚糖在弱酸性條件下可溶解，因此可以通過溶液流延輕鬆加工成薄膜。 殼聚糖具有優異的成膜能力。此外，殼聚糖與有限量的酸混合後，還可以使用間歇式密煉機和壓縮成型機通過熱機械加工成塑化形式[25]。 熱機械加工過程中的這種高粘度條件使殼聚糖能夠輕鬆與塑化劑[26][27][28]、納米顆粒[29][30][31]、或其他生物聚合物混合[32][33][34]。在溶液條件下，生產基於帶正電荷的殼聚糖與其他帶負電荷的生物聚合物（例如羧甲基纖維素、海藻酸和蛋白質）的混合材料具有挑戰性，因為兩種生物聚合物之間的靜電相互作用通常會導致凝聚層。 然而，散裝殼聚糖混合物可以通過高粘度熱機械加工生產，這也可能表現出更好的機械性能和水解穩定性[32][33][34]。 海藻酸（通常是海藻酸鈉或海藻酸鈣）可溶於水，因此海藻酸溶液可以流延成膜。 海藻酸與限量的水和塑化劑混合，還可以通過熱機械加工成增塑薄膜[35][36]。 塑化劑（通常為甘油）可以使加工後的殼聚糖或海藻酸薄膜變得柔韌。

蛋白質基塑膠

生物塑膠可以由不同來源的蛋白質製成。 例如，小麥麩質和酪蛋白作為不同可生物降解聚合物的原材料顯示出有前景的特性[37]。

此外，大豆蛋白被認為是生物塑膠的另一種來源。 大豆蛋白用於塑膠生產已有一百多年的歷史。 例如，原福特汽車的車身面板是由大豆基塑膠製成的[38]。

由於其對水的敏感性和相對較高的成本，使用大豆蛋白基塑膠存在困難。 因此，生產大豆蛋白與一些現有的可生物降解聚酯的混合物可以提高水敏感性和成本[39]。

一些脂肪族聚酯

脂肪族生物聚酯主要是聚羥基烷酸酯(PHA)，如聚羥基丁酸酯(PHB)、聚羥基戊酸酯（PHV） ，聚羥基己酸酯（PHH）。

聚乳酸(PLA)

混和有聚乳酸（PLA）的製成的生物柔性的地膜

聚乳酸 (PLA) 是一種由玉米[40] 或葡萄糖生產的透明塑膠。 從表面上看，它與傳統的石化基塊狀塑膠（如聚苯乙烯,PS）類似。 其優點是源自植物，並且易於生物降解。 不幸的是，它表現出較差的衝擊強度、熱穩定性和阻隔性能（阻止空氣穿過膜的傳輸）[41]。 PLA 和 PLA 共混物通常以顆粒形式存在。 PLA 有限規模地用於生產薄膜、纖維、塑膠容器、杯子和瓶子。 PLA 也是用於家庭熔融沉積建模的最常見的塑膠絲類型。

聚羥基丁酸酯（PHB）

生物聚合物聚羥基丁酸酯（PHB）是由某些細菌處理葡萄糖、玉米澱粉[42]或廢水[43]產生的聚酯。 其特性與石油塑膠聚丙烯相似。 PHB產量不斷增加。 例如，南美制糖業已決定將 PHB 生產擴大到工業規模。 PHB 的特點主要在於其物理特性。 可加工成熔點高於130攝氏度的透明薄膜，且可生物降解，無殘留。

聚羥基烷酸酯 (PHA)

聚羥基烷酸酯 (PHA) 是通過糖或脂質的細菌發酵在自然界中產生的線性聚酯。 它們由細菌產生以儲存碳和能量。 在工業生產中，通過優化糖的發酵條件，從細菌中提取和純化聚酯。 該系列中可以組合 150 多種不同的單體，從而獲得具有截然不同特性的材料。 PHA 比其他塑膠具有更高的延展性和更低的彈性，並且還可以生物降解。 這些塑膠被廣泛應用於醫療行業。

脂質衍生聚合物

許多生物塑膠類別已由植物和動物來源的脂肪和油合成[44]。 聚氨酯[45][46]、聚酯[47]、環氧樹脂[48]和許多其他類型的聚合物已經開發出來，其性能與原油基材料相當。 烯烴複分解反應的最新發展使多種原料能夠經濟地轉化為生物單體和聚合物[49]。 隨著傳統植物油以及低成本微藻衍生油產量的不斷增長[50]， 該領域存在巨大的增長潛力。

工業與市場

聚乳酸 (PLA) 製成的袋茶（薄荷茶）

雖然整個20世紀化學公司一直在生產基於有機材料的塑膠，但第一家專注於生物塑膠的公司——Marlborough Biopolymers——成立於 1983 年。然而，Marlborough 和隨後的其他企業未能取得商業成功，第一家此類企業未能取得商業成功。 確保長期財務成功的公司是義大利公司 Novamont，成立於 1989 年[51]。

生物塑膠仍不到全球生產的所有塑膠的百分之一[52][53]。 大多數生物塑膠節省的碳排放量尚未超過製造它們所需的量[54]。 據估計，每年用生物基塑膠替代 2.5 億噸塑膠將需要 1 億公頃土地，即地球可耕地的 7%。 當生物塑膠到達其生命周期結束時，由於缺乏適當的堆肥設施或廢物分類，那些設計為可堆肥並作為可生物降解銷售的生物塑膠通常被送往垃圾填埋場，然後它們在厭氧分解時釋放甲烷[55]。

COPA（歐盟農業組織委員會）和COGEGA（歐盟農業合作總委員會）對生物塑膠在歐洲經濟不同部門的潛力進行了評估：

部門 每年噸數
餐飲產品 450,000 450000
 
有機垃圾袋 100,000 100000
 
可生物降解覆蓋箔 130,000 130000
 
尿布用可生物降解箔 80,000 80000
 
尿布，100% 可生物降解 240,000 240000
 
箔紙包裝 400,000 400000
 
蔬菜包裝 400,000 400000
 
輪胎組件 200,000 200000
 
總數: 2,000,000

參見

參考

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外部連結

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