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一起深度了解下PBAT、PLA与PGA三大可降解材料应用情况

2025/1/20 9:46:48 阅读量:1703 来源:包材商圈 作者:吴亚男
摘要:目前欧盟环保政策主要着重于循环再生塑料的使用,市场关注顺序为回收材料、生物基材料,最后才是可降解材料。
目前欧盟环保政策主要着重于循环再生塑料的使用,市场关注顺序为回收材料、生物基材料,最后才是可降解材料。生物基塑料是指原料来自生物质,如PLA(聚乳酸)、Bio-PE等;而生物降解塑料则是指可被微生物分解的塑料,包括PLA、PHA等,两者并非互斥关系。
在中国市场,预计2025年可降解塑料需求量将达300万吨,但产能可能超过500万吨。其中PBAT因具良好物理性能,将成为最大供应来源,新增规划产能超过300万吨。然而,PBAT生产成本高,主要受限于原料BDO价格,对无BDO配套的企业可能面临亏损。而PLA受限于技术及原料成本,PGA则面临煤价上涨风险,这些因素都影响产业发展。

生物基及可降解塑胶材料介绍

可降解行业从业,从现在欧盟关于塑料循环经济看来,欧盟近期政策主要提倡的思路是鼓励循环再生塑料的使用,延长塑料的使用生命周期。从市场方面看,欧美市场关于塑料环保的使用逻辑按先后顺序是:
1、recycle材料
2、生物基材料
3、可降解材料– 其中可降解材料中更看重的是海洋降解。

根据欧盟环保署定义:(1)生物基(bio-based)塑胶指生产所使用的(部分)原物料来自生物质(biomass),例如糖、淀粉或植物材质等,而非以石油为原料。(2)生物可分解(biodegradable)塑胶则指特殊环境下,塑胶可被生物自然分解,然分解所需的条件与时间不一。
以上分类并非互斥,用生物质做成的塑胶并不保证能被生物分解;生物可分解塑胶也可以以石油作为原料。

除了上述之外,还有工业可堆肥塑胶(Industrially compostable plastic)、家庭可堆肥塑胶(Home compostable plastics)、氧化式可降解塑胶(Oxo-degradable plastics)等各式类别。

生物基不可生物降解塑料是指一类塑料,其原材料部分或全部来自于生物质。这些塑料虽然是由可再生资源制成,但并不一定能够自然降解。是否可降解取决于分子的化学结构,而与它如何被制成无关。举例来说:

生物基塑料:这些塑料的原材料来自可再生资源,例如玉米、甘蔗、纤维素、鱼皮、瓜子壳等生物质材料。但即使是100%生物基塑料,也不一定具备生物降解性。例如,PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)可以由生物合成而不可被生物降解,而PLA(聚乳酸)既可以由生物合成又可以被生物降解。因此,生物基塑料主要解决了产品原料问题。

生物降解塑料:这些塑料在微生物的作用下可以自然分解。生物降解是一个化学过程,指环境中的微生物在没有人工添加剂的条件下,将物质转化为水、二氧化碳和其他堆肥材料等天然物质。生物降解的过程主要由环境条件(例如温度或位置)、材料性质或应用等因素决定。PLA、PHA、PBS等都属于生物降解塑料。这类塑料在产品寿命结束后有利于废弃物的管理,减少“白色污染”。

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生物基塑料

生物基塑料是指部分或全部由可再生生物原料(如植物、微生物)而非化石燃料(如石油)生产的塑料。这些塑料利用生物原料如玉米糖、甘蔗、植物油、纤维素等作为原料,通过化学或生物工艺转化为塑料。生物基塑料的种类繁多,包括但不限于以下几种:
1. 聚乳酸(PLA)
最常见的生物基塑料之一,由玉米糖或其他植物糖发酵产生的乳酸聚合而成。PLA广泛应用于包装、一次性餐具、纺织品等。
2. 生物基聚乙烯(Bio-PE)
使用由甘蔗等作物提炼的乙醇作为原料,通过脱水制乙烯再聚合得到。与传统的聚乙烯相比,生物基聚乙烯的化学结构相同,但原料来源于可再生资源。
3. 生物基聚对苯二甲酸乙二醇酯(Bio-PET)
部分或全部使用生物基原料(如甘蔗提炼的乙醇)代替化石原料生产的PET。用途包括制造塑料瓶和包装材料。
4. 生物基聚丙烯(Bio-PP)
类似于Bio-PE和Bio-PET,生物基聚丙烯使用可再生资源作为原料生产聚丙烯,用于包装、汽车部件等多种应用。
5. 聚羟基烷酸酯(PHA)
由微生物通过发酵过程直接生产的一类生物降解塑料。PHA可以完全生物降解,适用于包装、农业薄膜和生物医用材料等。
6. 生物基尼龙(Bio-Nylon)
使用生物基原料(如蓖麻油)代替部分石化原料生产的尼龙,用于纺织和工程塑料等领域。
这些生物基塑料提供了减少对化石燃料依赖、降低温室气体排放等环境益处,但它们的生产和应用仍需考虑原料的可持续获取、生命周期内的环境影响等因素。随着技术进步和市场需求的增长,更多种类的生物基塑料正被开发和商业化。

生物降解塑料

生物降解塑料是指能够被自然界的微生物,如细菌、真菌和藻类,在一定条件下分解为水、二氧化碳或甲烷以及生物质的塑料。这类塑料可以来自可再生生物资源(生物基)或化石燃料。生物降解塑料的种类众多,下面是一些常见的例子:
1. 聚乳酸(PLA)
  • 由可再生资源(如玉米糖)通过发酵过程产生的乳酸制成。PLA是最广泛使用的生物降解塑料之一,适用于包装材料、一次性餐具、纺织品等。
2. 聚羟基烷酸酯(PHA)
  • 由微生物在特定营养条件下自然生产的一类聚酯。PHA完全可生物降解,并且在多种环境中都能分解,包括海洋。
3. 聚丁二酸丁二醇酯(PBAT)
  • 是一种合成的、完全生物降解的塑料,常用于制作可生物降解的购物袋和农用薄膜。PBAT通常与其他生物降解塑料如PLA或淀粉混合使用,以提高其机械性能和降解速度。
4. 聚己内酯(PCL)
  • 是一种合成生物降解聚酯,通过开环聚合己内酯单体制得。PCL的生物降解速度较慢,但可以通过与其他更易生物降解的材料混合来改善。
5. 淀粉基塑料
  • 淀粉基塑料是指主要由自然界广泛存在的天然聚合物——淀粉制成的塑料。淀粉基塑料通常需要与其他生物降解聚合物(如PLA或PBAT)混合,以提高其加工性和物理性能。
6. 聚乙烯醇(PVOH, PVA)
  • 是一种水溶性塑料,可以在水环境中快速降解。PVOH常用于制作水溶性包装袋,如洗衣粉包装袋。
生物降解塑料的使用减少了传统塑料在环境中的积累,有助于缓解塑料污染问题。然而,它们的生物降解性能依赖于特定的环境条件,如温度、湿度和微生物活性,因此在实际应用中需要谨慎考虑这些因素。此外,生物降解塑料的生产和使用也应考虑其生命周期内的环境影响,包括原料的可持续性、生产过程中的能源消耗和最终产品的处理方式。

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为了有效分解PBS、PLA和淀粉基塑料,厌氧堆肥条件需要将温度控制在50至60°C之间,并搭配紫外线、热碱等前处理。此外,需要两个月以上的反应时间才能使这些塑料有效分解。因此,厌氧堆肥条件被用来测试这些生物可分解塑料在特定环境下的分解效率。

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PBAT、PLA、PGA的中国市场现况

预计到2025年,中国可降解塑料的需求量将达到300万吨,但届时,中国可降解塑料产能将超过500万吨/年,其中仅PBAT新增规划产能就超过300万吨/年,其次来自PLA和PGA的新增产能。
PLA是生物基塑料和生物降解产品领域的一个重要子行业。作为一种理想的绿色环保高分子塑料,PLA已成为生物降解塑料中的主要产品。但PLA短期产能难以迅速扩大以满足需求的增长。困扰中国PLA产业发展的首要问题是PLA中间产品丙交酯的合成技术。安徽丰原和浙江海正已逐步打通乳酸-丙交酯-聚乳酸产业链且实现规模化生产,开发出较成熟的套工艺生产设备。目前,外采丙交酯生产PLA的完全成本超过2万元/吨,而掌握了丙交酯合成技术的完全成本约1.5万元/吨。不过中国玉米等农作物经济价值高,随着全球粮食危机来袭,从成本经济性和原料可获得性角度来看,PLA行业短期而言难以放大。
PGA是一种理想的完全生物降解塑料,具有微生物降解和水降解的特点,根据其分子量和降解环境的不同可以在1~6个月内完全降解,无毒无害,最终降解产物是二氧化碳和水,除了能满足工业堆肥要求,还可以达到家庭堆肥、土壤降解及海洋环境降解的要求。国内已有数家企业经由煤制乙二醇的重要中间产品草酸二甲酯(DMO)往下生产PGA。虽然在乙二醇市场低迷的情况下,企业可以从乙二醇转产PGA,PGA的完全成本至少也要在1.2万/吨以上,这还不包括对乙二醇装置停车的损失。从乙二醇转产PGA将会闲置乙二醇生产装置,对应的折旧利息成本不算小数,但如果从煤头开始新建PGA则装置投资较大,同时也会面临煤价走高的风险。而PGA发展路径和煤制乙二醇何其相似,从5万吨产能慢慢放大到20万吨、100万吨,但产能放大和满足需求的高品质是需要经过较长时间来检验的。
PBAT由于显示出良好的拉伸强度、韧性、延展性和耐热性,是目前市场上应用最好的降解塑料之一,也是中国未来最大的可降解塑料供应来源。中国PBAT消费主要用于生产含淀粉的化合物,或与PLA混合。该化合物有助于大大提高成品的撕裂强度和伸长率,同时不影响后期加工。这些化合物可以降低产品本,同时仍保持其可生物降解和可堆肥的特性,被进一步加工成购物袋、卷装垃圾袋、电子产品包装袋、食品包装袋和地膜。
近期各大企业纷纷上马PBAT,如华鲁恒升3万吨/年PBAT、东华天业40万吨/年PBAT、东方盛虹18万吨/年PBAT、永荣控股50万吨/年PBAT 、陕煤集团12万吨/年PBAT、华谊新材料30万吨/年PBAT······规划的PBAT产能超过300万吨。
PBAT由BDO和PTA以及己二酸AA合成,从原料的可获得性和成本来看,BDO是最为关键的原料。若原料均以2022年5月20日外采市场价来算,生产1吨PBAT需要0.54吨的1,4丁二醇BDO(22,250元/吨),0.4吨的己二酸AA(11,650元/吨),0.37吨的PTA(6,710元/吨),PBAT的完全成本超过2.2万元/吨,而PBAT的市场价格约2.15万元/吨,对于纯粹依靠外采的企业而言是亏损的状态。
从生产成本来看,BDO在三种原料中成本占比63%,占PBAT收入比为56%。由于己二酸和PTA均属于大类产品,且行业产能大、生产利润微薄,可依托外采满足原料需求,但对于BDO而言,如果完全依赖外采,生产企业将无盈利可言。随着PBAT产能不断放大,市场竞争加剧,PBAT价格出现或下行,但BDO受PBAT和传统下游氨纶的需求拉动,价格或有进一步上行的可能,对于无BDO配套的PBAT而言,将面临持续亏损的困境。
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