低碳經(jīng)濟(jì)與材料

1、碳 經(jīng) 濟(jì) 與 生 物 材 料高碳經(jīng)濟(jì)是不可持續(xù)發(fā)展的 ,它極度依賴煤和石油 (含天 然氣)的使用，注定會(huì)排放巨量的 C02,還有S02和氮氧化合物 等其他溫室氣體。我國化石能源“富煤、貧油、少氣”,煤炭是能源消費(fèi)的主體 ,煤炭在能源消費(fèi)總量中的比重接近70%。而低碳經(jīng)濟(jì)則改用含碳量很少甚至不含碳的、并且是可 再生的原料。其中可再生的生物材料由于具有環(huán)保性和功能 性,其應(yīng)用受到高度重視 ,已被列為“十一五”期間我國生物 產(chǎn)業(yè)五大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一。一般而言 ,生物材料也叫生物基材料 ,是指用可再生原料 如農(nóng)作物、樹木、其他植物及其殘?bào)w和內(nèi)含物等通過生物轉(zhuǎn) 化獲得生物高分子材料或單體 ,然后進(jìn)一步

2、聚合形成的高分 子材料。生物高分子應(yīng)用很廣泛 ,可以用來制作醫(yī)藥用材料、 包裝材料、食品添加劑、纖維、工業(yè)塑料、生物傳感器以及 微電子領(lǐng)域的電子元件。 目前已開發(fā)的生物材料包括 :聚羥基 脂肪酸酯 (PHA) 、聚乳酸 (PLA) 、聚丁二酸丁二酯 (PBS) 、生 物尼龍、聚氨酯和聚氨基酸等。它們?cè)谏a(chǎn)、使用到再循環(huán) 的整個(gè)生命周期里 , 二氧化碳排放量相對(duì)傳統(tǒng)工藝將大幅減 小。在綜合性的全球氣候計(jì)劃中, 大力發(fā)展生物材料有利于減少在生產(chǎn)過程的二氧化碳排放 ,加強(qiáng)氣候保護(hù)。 三類重點(diǎn)得 到扶持的生物材料產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目包括:生物基合成高分子材料；天然生物高分子材料；生物基平臺(tái)化合物，也即碳二到碳六

3、系列生物基平臺(tái)化合物的產(chǎn)業(yè)化20世紀(jì) 70年代 ,由于塑料制品已被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng) 域 ,“白色污染”對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的威脅,人們對(duì)廢舊塑料的處理辦法主要是土埋和焚燒,浪費(fèi)了大量的土地 ,而且產(chǎn)生了大量的二氧化碳及其他對(duì)人有害的氮、硫、磷、鹵素 等化合物 ,助長了溫室效應(yīng)及酸雨的形成。 為了緩解日用品塑 料造成的環(huán)境污染 ,研究可降解高分子材料成為了重要課題。 為了扶植新興工業(yè)的發(fā)展 ,多數(shù)國家已經(jīng)大力鼓勵(lì)使用可再 生資源為原料的材料 , 增加開發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科研投入, 開發(fā)降低生物基材料生產(chǎn)成本的關(guān)鍵技術(shù) ,發(fā)展 “生物塑料” 產(chǎn) 業(yè) ,形成產(chǎn)業(yè)鏈 ,以“綠色塑料” 、“環(huán)境友好塑料

4、”替代傳統(tǒng) 不可降解塑料 ,從而減少各國對(duì)石油的過度依賴。進(jìn)入 21 世紀(jì) ,合成可生物降解的高分子材料的項(xiàng)目在一 定程度已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化并在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用。通過政府 政策的優(yōu)惠以及環(huán)保法規(guī)的完善,生物基材料作為完全適合低碳經(jīng)濟(jì)的新材料 ,必將逐漸得到消費(fèi)者的認(rèn)可和重視。下面簡(jiǎn)單介紹幾種近 10 年來受到重視的生物聚酯。1 聚乳酸 (PLA)生產(chǎn) PLA 的乳酸以農(nóng)副產(chǎn)品為來源 ,資源豐富且可再 生。生產(chǎn)乳酸的原料主要包括玉米、大豆、甜菜、馬鈴 薯和其他生物材料制成的淀粉和糖類。 體現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)思想的乳酸生產(chǎn)工藝路線主要為發(fā)酵法。一般以富含淀粉的玉米、 木薯等為原料 ,用生物催化劑將淀粉 轉(zhuǎn)化

5、為葡萄糖等單糖 , 再進(jìn)行發(fā)酵。堿性條件下處理發(fā)酵液,用熱水重結(jié)晶。再加入一定濃度的硫酸分解出乳酸和處理過 程中的硫酸鈣沉淀。 濾液在減壓下蒸發(fā)濃縮 ,即得 70%左右的 工業(yè)用乳酸。乳酸或丙交酯在一定條件下聚合 ,都可得到全規(guī)、間規(guī)、 雜規(guī)及不規(guī)則的 PLA, 根據(jù)單體的不同 ,可分為左旋聚乳酸 (L-PLA) 、右旋聚乳酸 (D-PLA) 、內(nèi)消旋聚乳酸 (meso-PLA) 及 外消旋聚乳酸 (D, L-PLA) 。由于 D- 乳酸在生物體中存在代謝 問題 ,因此用于醫(yī)學(xué)工程的體內(nèi)植入PLA 材料需用高化學(xué)純度及高光學(xué)純度的乳酸 ,其 L- 乳酸含量須大于 98%。經(jīng)過科研人員多年研究

6、,通過改進(jìn)聚合工藝和共聚改性 技術(shù) ,使 PLA 的性能得到進(jìn)一步的提高和完善 ,并且應(yīng)用領(lǐng)域 迅速擴(kuò)大。 PLA 材料也是第一個(gè)形成商業(yè)化規(guī)模的生物降解 材料的產(chǎn)業(yè)。在價(jià)格方面 , PLA 材料相比其他生物基材料也 有著明顯的優(yōu)勢(shì)。目前被認(rèn)為是最具有競(jìng)爭(zhēng)力的生物基材 料。其在醫(yī)療行業(yè)、農(nóng)業(yè)、日常生活領(lǐng)域等方面有著廣泛的 應(yīng)用。例如作為紡織原料，PLA比PET密度低，而且親水性更 強(qiáng),懸垂性、舒適性都比較優(yōu)秀。而且 PLA 纖維制品有著穩(wěn) 定的形態(tài) ,與滌綸同樣具有疏水性 ,對(duì)皮膚不發(fā)黏 ,如與棉混紡 做內(nèi)衣 ,有助于水分的轉(zhuǎn)移 ,對(duì)人體皮膚也沒有任何刺激性。因此 , PLA 在纖維和非織造布

7、領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。這樣有 助于在服裝市場(chǎng)中減少石油材料的加工生產(chǎn),而逐步進(jìn)入低碳經(jīng)濟(jì)的規(guī)劃。 表 3 列舉的是 PLA 纖維和其他傳統(tǒng)纖維的性 能對(duì)比。聚乳酸制品被廢棄后能迅速降解,且最終降解產(chǎn)物為水和二氧化碳 ,對(duì)環(huán)境沒有污染。 聚乳酸具有良好的生物相容性 又有可持續(xù)的原料來源 ,因此作為新型高分子材料 ,將在人類 社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和日常生活中發(fā)揮越來越大的作用,發(fā)展前景可觀。今后關(guān)于 PLA 樹脂的研究工作將依然針對(duì)以下方面展 開:設(shè)計(jì)合理的工藝路線以降低成本 ；提高PLA材料的力 學(xué)性能；提高產(chǎn)品的降解速率可控性 ；進(jìn)一步提高產(chǎn)品的 生物相容性等。2 聚丁二酸丁二酯 (PBS)PBS 是聚

8、丁二酸丁二酯及其共聚物的簡(jiǎn)稱 ,是一類由丁 二酸、丁二醇縮聚及和其他二元酸或二元醇共縮聚制備的一 類脂肪族聚酯。 PBS 樹脂呈乳白色 ,無嗅無味 ,具有優(yōu)異的生 物降解性 ,易被自然界的多種微生物或動(dòng)植物體內(nèi)的酶分解、 代謝，在自然條件下可 100%分解成水和 C02,是典型的可完 全生物降解聚合物材料 ,具有良好的生物相容性和生物可吸 收性。聚丁二酸丁二醇酯是具有良好可生物降解性能的聚合 物 ,與聚乳酸、 聚羥基烷酸酯、 聚己內(nèi)酯等可生物降解塑料相 比 , PBS 價(jià)格相對(duì)較低 ,力學(xué)性能優(yōu)異 ,耐熱性能好 ,是國內(nèi)外 在生物降解塑料研發(fā)方面的重點(diǎn)?？梢酝ㄟ^共聚改性和共混 改性 ,形成一系

9、列產(chǎn)品 ,使產(chǎn)品的價(jià)格與性能接近通用塑料的 水平。此外 , PBS 也可用作包括親水黏合纖維在內(nèi)的諸多添 加劑、黏合劑的原料。近幾年來 ,國外在利用 PBS 及其共聚物為基礎(chǔ)材料制造 各種高分子量聚酯的技術(shù)方面已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。在中國 PBS 也入圍了國家中長期科技計(jì)劃指南 ,是我國重點(diǎn)推動(dòng)產(chǎn) 業(yè)化的生物降解塑料。值得一提的是 , PBS 樹脂的發(fā)展是建立在高效經(jīng)濟(jì)的微 生物發(fā)酵工藝的基礎(chǔ)上 ,而如何通過更為經(jīng)濟(jì)的途徑得到丁 二酸原料 ,是 PBS 產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的本質(zhì)問題。3 聚羥基脂肪酸酯 (PHA)作為一類天然生物高分子聚合物,聚羥基脂肪酸酯發(fā)展較晚 ,但在近 20 多年來得到迅速發(fā)展。作為

10、一種線性聚酯 PHA 不僅具有與化學(xué)合成高分子材料相似的性質(zhì),而且還有一般化學(xué)合成高分子材料沒有的性質(zhì) ,如生物可降解性、 生物 相容性、 壓電性、 光學(xué)活性等特殊性質(zhì) ,并可在生物合成過程 中充分利用可再生資源。PHA 具有生物可降解性 ,可在人體內(nèi)自然降解 ,它的最終 降解產(chǎn)物是 3-羥基脂肪酸 ,為人體血液中普通代謝物 ,不會(huì)給 人體帶來任何毒副作用。而且 PHA 如果在胞內(nèi)大量積累不 會(huì)影響細(xì)胞內(nèi)的滲透壓 ,所以還是一種理想的儲(chǔ)存材料。 當(dāng)環(huán) 境中缺乏碳源而其他營養(yǎng)元素充足時(shí) , PHA 又可作為碳源被 降解和重新利用。因此 , PHA 的應(yīng)用范圍非常廣泛 ,可用作各 種綠色包裝材料與

11、容器、生物可降解薄膜、污水處理用細(xì)菌 床、電信器件外殼等。另外 , PHA 具有一定的力學(xué)性能 ,可用 作骨移植的支架。隨著石油價(jià)格的上漲 ,與以石油為原料制造的塑料相比 PHA 制造成本上將更有競(jìng)爭(zhēng)性。就目前而言,盡管 PHA 的產(chǎn)業(yè)化取得了一些進(jìn)展 ,但從生產(chǎn)成本來看 ,并未取得比石油原 料產(chǎn)品更大的優(yōu)勢(shì) ,但伴隨著其核心技術(shù)分子生物學(xué) 的發(fā)展 ,相關(guān)領(lǐng)域必然會(huì)在今后的數(shù)十年間得到長足的發(fā)展 如誘變 PHA 合成酶以增加胞內(nèi) PHA 含量、達(dá)到分子量可控、 成分可控等。上述 3 種生物基材料基本概括了當(dāng)前生物降解材料的主 流市場(chǎng)。 通過對(duì)可再生資源的充分利用和技術(shù)創(chuàng)新,生物基材料的產(chǎn)業(yè)化將

12、實(shí)現(xiàn)對(duì)石油資源的節(jié)約和替代 ,可有效消除白 色污染、保護(hù)環(huán)境 ,是低碳經(jīng)濟(jì)在材料領(lǐng)域的必由之路。 美國 生物技術(shù)工業(yè)組織預(yù)測(cè)到 2012 年美國的生物降解塑料市場(chǎng) 將增至7 2億磅，市場(chǎng)規(guī)模將接近9億美元。其中聚乳酸將 成為代表性產(chǎn)品在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用?？偟膩碚f ,生物材料是伴隨著當(dāng)今世界能源、 環(huán)境危機(jī)的凸顯而發(fā)展起來的 ,隨著原料生產(chǎn)和制品加工技術(shù)的進(jìn)步,生物降解材料備受關(guān)注 ,成為可持續(xù)、 循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的焦點(diǎn)。 隨 著國家和企業(yè)對(duì)生物材料基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和產(chǎn)業(yè)化投入 的不斷增加 ,我國在學(xué)術(shù)上和產(chǎn)業(yè)化上將不斷取得進(jìn)步。然而,現(xiàn)階段 PLA 、PHA 和 PBS 等環(huán)境友好材料屬于新 興的材料產(chǎn)業(yè) ,依然處于市場(chǎng)推廣階段。當(dāng)然 ,成本問題一直 是困擾生物材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。 如何控制原料成本 ,如何通 過技術(shù)進(jìn)步降低成本 ,這些都是未來生物基材料發(fā)展必須思 考的問題。 當(dāng)此領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化后 ,就可以隨著產(chǎn)量的 增加而進(jìn)一步降低成本。 需要強(qiáng)調(diào)的是 ,生物基聚合物是一種 功能材料 , 與通用塑料比較 ,生物塑料除了滿足材料制品的一 般功用 ,其生物 /環(huán)境可降解性是傳統(tǒng)塑料完全不具備的,因此消費(fèi)者