生物降解塑料課件

化學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)

生物降解塑料

友好隊(duì)員：馮小紅

王慧風(fēng)

指導(dǎo)老師：孫昱教授

講解內(nèi)容

?1、產(chǎn)品背景

?2、用戶需求

?3、產(chǎn)品方案

?4、方案的進(jìn)一步確認(rèn)

?5、致謝

一、產(chǎn)品背景

?塑料工業(yè)是一門制品工業(yè),又是一門新興的材料工業(yè)。近年來,隨著國民經(jīng)濟(jì),特別是石油化學(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展塑料工業(yè)發(fā)展很快。

?1998年合成樹脂的表觀消費(fèi)量約1494.0萬t,塑料制品為1427.6萬t。塑料材料和產(chǎn)品作為一種重要工業(yè)資材和消費(fèi)資材,已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、包裝業(yè)和高科技領(lǐng)域以及人民生活的各個方面,它已和鋼鐵、木材、水泥并列成為四大支柱材料,在促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)各部門的技術(shù)進(jìn)步和滿足人民生活需要方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

?近年來,中國包裝用塑料約400萬t,其中難以回收利用的一次性塑料包裝約占30%,則每年產(chǎn)生的塑料包裝廢棄物約120萬t;塑料地膜40多萬t,由于較薄(8μm以下),用后破碎在農(nóng)田中并夾雜了大量的沙土,很難回收利用;難以回收利用的一次性日用雜品及不宜回收利用的醫(yī)療用品約40萬t。

一、產(chǎn)品背景

?

綜合以上各項(xiàng)一次性塑料廢棄物達(dá)200萬t左右。又據(jù)北京、上海、天津等城市的調(diào)查,塑料廢棄物在城市固體廢棄物處理系統(tǒng)(MSW)中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約3%～7%,而體積分?jǐn)?shù)則占10%～20%。由此引發(fā)的環(huán)境問題日益嚴(yán)重,引起了全社會的極大關(guān)注和強(qiáng)烈反響。對此,我國政府予以了極大的重視,正積極研究對策和措施。

一、產(chǎn)品背景

產(chǎn)品背景

?塑料制品在工業(yè)和日常生活中的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生了大量難以處理的塑料垃圾,形成了嚴(yán)重的環(huán)境危害。

?減少并解決廢棄塑料的環(huán)境污染問題引起了世界各國的高度重視,使用和開發(fā)生物降解性塑料已成為各國解決“白色污染”

的重要手段之一

1、產(chǎn)品用途

?1、農(nóng)業(yè)用資材

?2、土木建筑材料

?3、運(yùn)輸用緩沖包裝材料

?4、野外文體用品

自然環(huán)境下難回收的領(lǐng)域

?1、食品包裝材料

?2、衛(wèi)生用品

?3、日用雜貨品

有利于堆肥的領(lǐng)域

?1、一次性醫(yī)療用具

?2、醫(yī)用材料

?3、藥品緩釋膠囊

?4、繃帶

醫(yī)用領(lǐng)域

2、當(dāng)前技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

?1、光降解塑料的研究；合成型、添加型

?2、化學(xué)降解塑料的研究；氧化性、水解型

?3、生物降解塑料的研究；完全生物降解、崩壞性生物

降解

?4、組合降解塑料的研究；光/生物降解塑料、生物/氧

化降解塑料、光/氧化/生物降解塑料

當(dāng)前技術(shù)發(fā)展方向

?1、積極地開發(fā)各種添加劑

?2、通過分子設(shè)計(jì)研究和分子合成技術(shù)，不斷改進(jìn)配方

?3、利用纖維素、淀粉、甲殼素等天然高分子材料

?4、將塑料工業(yè)與細(xì)菌學(xué)結(jié)合起來

?5、光/生物降解塑料具有光解和生物降解雙重特性

3、一次性塑料存在的問題

（1）、市場應(yīng)用

?由于生產(chǎn)可降解塑料的成本偏高,造成其在市場中價格偏高,這樣就給可降解塑料的推廣造成了很大的影響。同時一次性紙制品的迅速崛起也給可降解塑料帶來很大的沖擊。

（2）降解技術(shù)尚不成熟

?目前很多的光降解塑料都是在塑料中添加光分解劑或者光敏劑,而這些添加劑對塑料的降解效果受到地理環(huán)境和氣候的影響很大,這樣就很難做到準(zhǔn)確控制降解時間,同時,埋地部分和進(jìn)入垃圾填埋系統(tǒng)部分也很難得到降解。目前有些所謂生物降解塑料是以簡單的物理共混工藝,將淀粉填充到聚乙烯等樹脂內(nèi),雖可加工吹塑成膜,但這種“降解”薄膜,待其內(nèi)所含淀粉被生物降解后,其聚合物骨架在很長時間內(nèi)(約20年)仍有50%殘留量,反而為廢棄塑料的回收加工處理增加了困難。

（3）、降解塑料的標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)驗(yàn)評

價方法

?對于降解塑料,世界上尚沒有統(tǒng)一的定義、試驗(yàn)評價方法、識別標(biāo)志和產(chǎn)品檢測技術(shù),致使缺乏正確統(tǒng)一的認(rèn)識和確切的評價,產(chǎn)品市場比較混亂,真假難辯。

4、生物降解塑料的市場需求

（1）、生物降解塑料產(chǎn)能現(xiàn)狀

?生物降解塑料是一類在光熱微生物等存在的條件下能夠發(fā)生降解的塑料。目前，全球研發(fā)生產(chǎn)的生物降解塑料品種已有幾十種，主要包括聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚己內(nèi)酯(PCL)、聚羥基脂肪酸酯(PHA)、聚對苯二甲酸丙二醇酯(PTT)等。

（2）、各種生物降解塑料產(chǎn)能

?1、聚乳酸（PLA）

?2、聚己內(nèi)酯（PCL）

?3、聚丁酸丁二醇酯（PBS）

?4、聚羥基脂肪酸酯（PHA）

?5、聚對苯二甲酸丙二醇酯（PTT）

表1、

全球聚乳酸（PLA）主要生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)能（kt/a)生產(chǎn)企業(yè)

所在國家

產(chǎn)品用途

20082013~2015說明

NatureWorks美國

包裝、纖維

70140現(xiàn)在產(chǎn)能140帝人

日本

汽車內(nèi)飾

11.2

TateLyle荷蘭

包裝

11

Futerro比利時

包裝

0.31.5

Pyramid德國

包裝

0.360

Sybra荷蘭

發(fā)泡

0.350

浙江海正集團(tuán)

中國

包裝

530

湖北光華偉業(yè)

中國

纖維包裝

0.80.8

長江化纖

中國

纖維

0.051

全球合計(jì)

80.15290.5生產(chǎn)企業(yè)

所在國家

產(chǎn)品商標(biāo)

產(chǎn)能

Perstorp英國

CAPA20U.C.C美國

TonePolymer5Daicel日本

Celgreen10Biotec美國

Bcoplast5Novonmont意大利

Mater10光華偉業(yè)

中國

—

2合計(jì)

52表2、

全球聚己內(nèi)酯（PCL）主要生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)能（kt/a)（3）、市場和產(chǎn)能供應(yīng)分析

?目前，生物降解塑料的總產(chǎn)能與通用塑料相比依然較小，生產(chǎn)技術(shù)原料供應(yīng)生產(chǎn)成本依然是制約生物降解塑料產(chǎn)能提高的主要因素。提高生產(chǎn)技術(shù)依然是提升產(chǎn)能的首要途徑。生物降解塑料的生產(chǎn)裝置主要分布在歐美日等發(fā)達(dá)國家，且裝置規(guī)模較大，中國的生物降解塑料產(chǎn)業(yè)仍屬于起步階段，近年發(fā)展速度較快。國家《新材料產(chǎn)業(yè)十二五發(fā)展規(guī)劃》提出:積極開展聚乳酸等生物可降解材料研究，加快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，推進(jìn)生物基高分子新材料和生物基綠色化學(xué)品產(chǎn)業(yè)發(fā)展。這為我國的生物降解塑料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指明了方向。隨著人們環(huán)保意識的提高，對生物降解塑料的需要也會越來越大，市場前景廣闊。

二、用戶需求

1、需求方案

1、無毒無害

2、沒有異味

3、原料來源廣

4、成本低廉

5、耐熱性好

6、延展性好

7、光照下不分解

8、耐水

9、耐油

10、廢棄后易降解

11、降解后不污染環(huán)境

12、在使用壽命內(nèi)不易老化

13、著色后不易褪色

14、有一定的強(qiáng)度

15、不易磨損

16、保溫效果好

17、不釋放有害物質(zhì)

18、防火、不易燃

19、適量的透氣性

20、有韌性、不發(fā)脆

21、易成型

22、制作工藝簡單

23、高溫下不發(fā)軟

24、低溫下不發(fā)脆

25、易著色

26、可以印花且不易掉

27、防靜電

28、抗氧化性好

29、成型后不易變形

30、可應(yīng)用的場合廣泛

31、生產(chǎn)的制品光滑、勻質(zhì)

32、保質(zhì)期長

33、降解周期短

33、廢棄后可用作肥料

34、可以回收利用

2、需求組和

（1）環(huán)境友好

1、無毒無害2、沒有異味10、廢棄后易降解11、降解后不污染環(huán)境17、不釋放有害物質(zhì)

（2）機(jī)械性質(zhì)

6、延展性好14、有一定的強(qiáng)度

15、不易磨損20、有韌性、不發(fā)脆

29、成型后不易變形

（3）耐受性

5、耐熱性好7、光照下不分解8、耐水9、耐油18、防火、不易燃23、高溫下不發(fā)軟24、低溫下不發(fā)脆27、防靜電28、抗氧化性好

（4）產(chǎn)品性能

12、在使用壽命內(nèi)不易老化13、著色后不易褪色16、保溫效果好19、適量的透氣性21、易成型25、易著色26、可以印花且不易掉30、可應(yīng)用的場合廣泛31、生產(chǎn)的制品光滑、勻質(zhì)32、保質(zhì)期長33、降解周期短

（4）產(chǎn)品性能

12、在使用壽命內(nèi)不易老化13、著色后不易褪色16、保溫效果好19、適量的透氣性21、易成型25、易著色26、可以印花且不易掉30、可應(yīng)用的場合廣泛31、生產(chǎn)的制品光滑、勻質(zhì)32、保質(zhì)期長

33、降解周期短

（5）其他

3、原料來源廣4、成本低廉22、制作工藝簡單33、廢棄后可用作肥料34、可以回收利用

3、產(chǎn)品規(guī)格

?

對醫(yī)療器械衛(wèi)生行業(yè)、食品行業(yè)、工農(nóng)業(yè)、日常生活用品行業(yè)進(jìn)行調(diào)查研究，初步擬出環(huán)保型生物降解型一次性塑料的產(chǎn)品規(guī)格如下：

?

①有極好的耐水、耐油等性能；

?

②有適宜的保質(zhì)期，不易變質(zhì)；

?

③廢棄后極易降解；

?

④降解后不釋放污染物質(zhì)，對環(huán)境沒有影

響；

?

⑤使用過程中不釋放氣體和其他物質(zhì)；

?

⑥無毒無害無味；

?

⑦能適應(yīng)的溫度區(qū)間為：-20℃——200℃

3、產(chǎn)品規(guī)格

三、產(chǎn)品方案

（1）、方案

1、用氨基酸進(jìn)行縮合

2、聚乙烯加淀粉

3、用淀粉生產(chǎn)

4、用植物纖維素為原料

5、用多糖類進(jìn)行縮合

6、用聚己內(nèi)醇

7、聚乙烯醇（PVA）型

8、聚乳酸

9、聚乙烯醇/淀粉合金

10、二羧酸二元醇

11、聚乙烯+聚乳酸

12、聚乙烯+西綸淀粉

13、聚乙烯+淀粉不飽和脂肪酸或酮

14、聚乙烯+酯/酯化淀粉

15、乙烯/丙烯酸共聚物+明膠化淀粉

16、聚丁酯

17、Biopol聚（3—羥基丁酸酯/3—羥基戊酸酯）

18、用淀粉做基礎(chǔ)，在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)

19、乙烯酮共聚物

20、添加芳香酮

21、添加金屬抗氧化劑游離金屬離子

22、乙烯/CO共聚物

23、用淀粉水解的小分子合成特殊性能的有機(jī)物，在聚合成塑料

24、在塑料中接上特殊作用的官能團(tuán)

25、運(yùn)用納米結(jié)構(gòu)使塑料成型

26、在需要強(qiáng)度高的塑料中加入碳纖維

27、在塑料總加入特殊作用的酶

28、使用特殊催化劑，改變性能

29、使用納米技術(shù)

30、使用活性炭改性技術(shù)

31、淀粉基生物降解塑料

32、用紙漿做模型塑料

33、用CO2合成聚碳酸酯塑料

（2）、方案分類

1、

（1）常規(guī)方案

2、聚乙烯加淀粉6、用聚己內(nèi)醇7、聚乙烯醇（PVA）型8、聚乳酸9、聚乙烯醇/淀粉合金10、二羧酸二元醇13、聚乙烯+淀粉不飽和脂肪酸或酮14、聚乙烯+酯/酯化淀粉15、乙烯/丙烯酸共聚物+明膠化淀粉17、Biopol聚（3—羥基丁酸酯/3—羥基戊酸酯）12、聚乙烯+西綸淀粉20、添加芳香酮

（2）新技術(shù)方案

19、乙烯酮共聚物21、添加金屬抗氧化劑游離金屬離子23、用淀粉水解的小分子合成特殊性能的有機(jī)物，在聚合成塑料25、運(yùn)用納米結(jié)構(gòu)使塑料成型26、在需要強(qiáng)度高的塑料中加入碳纖維29、使用納米技術(shù)30、使用活性炭改性技術(shù)33、用CO2合成聚碳酸酯塑料

（3）環(huán)保方案

1、用氨基酸進(jìn)行縮合3、用淀粉生產(chǎn)5、用多糖類進(jìn)行縮合16、聚丁酯22、乙烯/CO共聚物31、淀粉基生物降解塑料

（4）新想法方案

4、用植物纖維素為原料11、聚乙烯+聚乳酸18、用淀粉做基礎(chǔ)，在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)24、在塑料中接上特殊作用的官能團(tuán)27、在塑料總加入特殊作用的酶28、使用特殊催化劑，改變性能

（3）方案篩選

?經(jīng)過多方面考慮，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)性、可行性等方面考慮我們剔除一些方案，得到如下方案：

2、聚乙烯加淀粉

8、聚乳酸

13、聚乙烯+淀粉不飽和脂肪酸或酮

5、用多糖類進(jìn)行縮合

11、聚乙烯+聚乳酸

22、乙烯/CO共聚物

23、用淀粉水解的小分子合成特殊性能的有機(jī)物，在聚合成塑料

33、用CO2合成聚碳酸酯塑料

29、使用納米技術(shù)

31、淀粉基生物降解塑料

32、用紙漿做模型塑料

（4）、方案權(quán)重分析

?

以科學(xué)技術(shù)成熟度（W1=0.3）、成本（W2=0.2）、安全環(huán)保（W3=0.2）、方案可行性程度（W4=0.2）、公眾反應(yīng)（W5=0.1）五個權(quán)重因素來進(jìn)行分析：

方案號

科技成熟度

成本

安全環(huán)保性

方案可行性

公眾反應(yīng)

總分

2887887.85789687.58877887.611788887.713777766.922766656.223779787.529768686.931889898.332898886.433868997.9經(jīng)上述權(quán)重分析之后篩選出以下比較好的方案：

2、聚乙烯加淀粉

31、淀粉基生物降解塑料

33、用CO2合成聚碳酸酯塑料

四、方案的進(jìn)一步確認(rèn)

1、方案的具體內(nèi)容

?聚乙烯加淀粉

?1、加入增溶劑，使淀粉中的羥基發(fā)生締

合作用；

?2、增加聚乙烯的極性及降解性；

?3、淀粉的變性；

其生產(chǎn)路線為：

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前國內(nèi)有幾十家工廠生產(chǎn)聚乙烯/淀粉降解塑料,年生產(chǎn)能力約為5萬噸,但由于性能、價格等方面的原因,實(shí)際生產(chǎn)量不大,市場尚未形成.淀粉基生物降解塑料

?普通淀粉粒徑為

25μm左右,既可作為制備降解復(fù)合材料的一種填料，又可以通過一定改性處理制備降解塑料。淀粉基生物降解塑料分為破壞性生物降解塑料和完全生物降解塑料。前者主要是指將淀粉與不可降解樹脂共混，研究開發(fā)較早，是淀粉基可降解塑料研究的第一代產(chǎn)品。后者則包括淀粉與可降解聚酯共混材料和全淀粉塑料兩種，這兩種材料在使用后均能實(shí)現(xiàn)徹底降解，目前是國外生物降解材料開發(fā)的主流。由于淀粉的成本比普通塑料要低很多。普通食用淀粉的價格為每噸2200元，而通用塑料的價格為每噸13000元，因此開發(fā)全淀粉降解塑料是今后淀粉基生物降解材料的大趨勢。

用CO2合成聚碳酸酯塑料

?二氧化碳和環(huán)氧丙烷在催化劑作用下共聚可得到交替型脂肪族聚碳酸酯。這種聚合物具有良好的環(huán)境可降解性。美國在此基礎(chǔ)上通過改進(jìn)催化劑，于1994年生產(chǎn)出二氧化碳可降解共聚物。美國空氣產(chǎn)品與化學(xué)品公司和陶氏化學(xué)公司已合成出相應(yīng)的產(chǎn)品。到目前為止，只有美國、日本和韓國等生產(chǎn)二氧化碳可降解塑料，美國年產(chǎn)量約為2萬噸，日本、韓國也已形成年產(chǎn)萬噸規(guī)模。

但是在國內(nèi)推廣有如下一些難點(diǎn)：

?1、成本壓力大

?2、需求小、銷售難

?3、投資風(fēng)險(xiǎn)大

2、方案具體化

?淀粉基生物降解塑料

淀粉是一種多糖類化合物，廣泛存在玉米，小麥，馬鈴薯等植物中，具有來源廣，成本低，可生物降解等優(yōu)點(diǎn)，因此很早就有人將其作為生物降解研究的材料。

?淀粉以葡萄糖為結(jié)構(gòu)單元，分子鏈呈順式結(jié)構(gòu)，一般分為直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種。直鏈淀粉是以

α-1，4-糖苷鍵連接D-吡喃葡萄糖單元所形成的直鏈高分子化合物，而支鏈淀粉是在淀粉鏈上以

α-1，6-糖苷鍵連接側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的高分子化合物，分子量通常要比直鏈淀粉的大很多。通常玉米淀粉中直鏈淀粉占28%，分子量大約為(0.3-3×106)，占72%的支鏈淀粉分子量則可以達(dá)到數(shù)億。

3、原料以及經(jīng)濟(jì)性分析

名稱

價格

來源

淀粉

2200元/t滕州晟昊精細(xì)化工公司

甘油

530元/t濟(jì)南蘇盛化工有限公司

鋁酸酯偶聯(lián)劑

12元/Kg臨沂

PBS3萬元/t安慶和興化工責(zé)任有限公司

LDPE1萬元/t大慶石化公司

乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）

1.3萬元/t東莞市樟木頭金運(yùn)來塑膠經(jīng)營部

聚己內(nèi)酯PCL5.5萬元/t廣州市促新貿(mào)易有限公司

聚乙烯醇PVA10.2萬元/t瑙博愛鑫塑膠有限公司

聚羥基脂肪酸酯

2.9萬元/t東莞丹盛塑膠有限公司

4、合成路線

?整個工藝只需要一種反應(yīng)器就可以了，將淀粉改性之后作為母料，和需要進(jìn)行混合的聚酯進(jìn)行適當(dāng)?shù)嘏浔龋ǖ矸鄣牧繛?0%—60%之間），在高速混合機(jī)和雙滾筒開煉機(jī)的混合作用下進(jìn)行混合，加入適量的添加劑和鋁酸酯