生物塑料：駕馭加工新挑戰，開啟可持續未來

生物聚合物是提升聚合物應用可持續性的有效途徑之一。使用生物聚合物有助于減少二氧化碳排放，既能贏得環保意識較強的消費者的認可，又能幫助加工企業實現其可持續發展目標。但是，許多中小企業仍持觀望態度，因為生物聚合物的添加劑改性要求和加工參數均不同于化石基聚合物。但若經過合理選材和加工，它們不僅能成為一種可持續的材料替代方案，更能為企業開辟全新的市場和應用領域，尤其是化石基聚合物面臨監管限制或市場對產品提出更高環保要求時。

標題圖：生物塑料在諸多領域都可被用作傳統塑料的替代品。但是，使用這類聚合物時需要考慮若干特殊因素 © Adobe Stock；Tanakorn

在開發初期進行細致分析對生物聚合物的應用至關重要，例如：明確終端產品需滿足的機械性能和外觀特性、在可加工性和使用壽命方面的要求以及是否涉及監管要求。針對生物聚合物，還需考慮產品可堆肥性是否能帶來優勢并值得被開發出來。基于這些分析結果，方能判斷生物聚合物是否適用于目標場景，或者回收材料可否作為更合適的替代方案。

圖1：并非所有生物塑料都可生物降解（來源：Meraxis；圖表：© Hanser）

生物聚合物這一術語同時涵蓋了生物基聚合物和可生物降解聚合物（圖1）。在工業領域，對這兩類聚合物進行區分至關重要。生物基聚合物完全或部分來源于可再生原料，但其本身并非一定可生物降解。例如，生物聚乙烯（bio-PE）和生物聚丙烯（bio-PP）雖是生物基材料，但其化學結構與化石基同類產品完全一致，因此不可生物降解。相反，某些化石基聚合物卻能夠完全生物降解。例如，聚己二酸-對苯二甲酸丁二酯（PBAT）和聚己內酯（PCL）源于化石原料卻具有生物可降解性。

添加劑改性和加工方式的差異

目前需求旺盛的生物基聚合物包括生物基PET（bio-PET）、聚乳酸（PLA）和熱塑性淀粉（TPS）（圖2）。生物基PET在化學結構上與化石基PET相似，因此可在現有設備上直接加工而無需調整工藝。而PLA和TPS通常需要特定的添加劑改性，例如改善其熱穩定性或防潮性能。它們的流變性能也與化石基聚合物存在差異，因此需要仔細調整加工參數，尤其是在注塑成型和擠出加工過程中。

圖2：熱塑性淀粉（TPS）是廣受歡迎的生物塑料之一 © Meraxis

有針對性地選擇和使用添加劑：添加劑可用于改變材料柔韌性、抗紫外線性和耐熱性等性能。但是，它們與生物聚合物的相互作用有時會與傳統聚合物不同。由于化石基聚合物和生物基聚合物的降解過程存在差異，通常需要調整紫外線穩定劑和熱穩定劑的濃度。若忽視這一點，可能導致材料脆化、泛黃或強度下降。某些傳統增塑劑，如鄰苯二甲酸酯，也可能在某些情況下引發不良的相互作用。雖然它們賦予化石基PE和PP彈性，但卻可能破壞PLA和TPS等生物聚合物的穩定性并縮短其使用壽命。

圖3：在德國瑞好集團（Rehau Group）的實驗室中，通過篩選合適的色母粒和濃度可為生物塑料調配理想色調。© Meraxis 

此外還需要特別注意紫外線輻射和潮濕的影響，它們是導致生物聚合物材料過早老化的兩個最常見原因。不過，通過添加合適的助劑可以減輕這些影響。共混也有助于實現材料穩定，例如：添加耐濕性強的聚丁二酸丁二醇酯（PBS）既可增強材料抗水性，又能提高機械穩定性，且不會影響其生物降解性。

生物基添加劑的可用性

加工企業目前有大量具有生物相容性的生物基添加劑可供選擇。例如，具有抗氧化功效的多酚類物質和天然紫外線吸收劑適用于紫外線防護，經過改性的接枝共聚物等抗沖擊改性劑能提升材料的抗斷裂性能，而甘油和檸檬酸酯等生物基增塑劑則可在保持材料穩定性的同時增強其柔韌性。如有必要，還可使用木質素系阻燃劑賦予材料阻燃特性。重點在于，不能簡單地將化石基聚合物的添加劑全部照搬到生物基聚合物中，而應有針對性地進行精準調配。選擇合適的添加劑體系并使其與加工工藝和材料性能相互協同是取得成功的關鍵因素。

剪切應力的差異

控制制造工藝來適應材料：生物聚合物的加工需要精確的工藝控制，因為它們對機械應力和熱應力的反應與化石基聚合物不同。這些影響會直接改變材料結構。例如，生物聚合物通常比化石基聚合物對剪切力更為敏感。在加工過程中，當平行力作用于反方向并沿某一平面使聚合物發生變形時，即會產生剪切應力。

使用合適的潤滑劑（如金屬皂和脂肪酸酯）可有效降低摩擦載荷。這類潤滑劑也有生物基版本可供選擇。潤滑劑能改善熔體流動狀態并緩解材料應力。通過調整工藝參數還可降低剪切應力。降低螺桿轉速、保持均勻的溫度分布以及優化輸送速率等措施能有效穩定材料流動。優化的模具幾何結構（如經改良的噴嘴橫截面）也有助于避免壓力峰值并實現溫和的材料引導。通過合理的設置，通常無需對系統技術進行大規模改造即可實現穩定的生產條件。

更低的加工溫度

生物聚合物在加工溫度方面也與化石基聚合物不同?；酆衔锟沙惺芨哌_300°C的加工溫度，而生物聚合物的加工溫度通常介于130至230°C之間。以TPS為例，其加工溫度根據成分和添加劑的不同通常保持在130至180°C之間。較低的加工溫度具有顯著優勢，因為生產過程所需的能耗更少。通過持續優化工藝，這種方式還能進一步降低碳足跡。

檢查并保障儲存條件：適宜的儲存條件對于確保生物聚合物在加工過程中保持其理想性能至關重要。許多生物基材料對紫外線、濕度和溫度極為敏感。若儲存不當，其加工性能會受到影響，可能出現結塊、流動性改變或顆粒殘留水分增加等問題。特別是PLA和TPS等吸濕性聚合物，它們會從環境空氣中吸收水分。在擠出和注塑成型過程中，可能導致氣泡形成、粘度波動和機械性能下降。

預干燥和儲存

為避免此類問題，將生物聚合物儲存在陰涼干燥處至關重要。在加工前進行針對性預干燥處理通常有助于將殘留水分控制在特定范圍內。根據生物聚合物的不同特征，采用特種包裝或在保護性氣氛中儲存也是可行的方案，尤其是材料需長期保持性能穩定和可加工性時。要使生物聚合物在實踐中展現卓越性能，關鍵在于材料、加工工藝、儲存和應用場景的完美協同。因此，像Meraxis這樣的分銷商為加工企業提供全方位支持：從材料選型、配方研發直至批量生產。通過與加工商和供應商緊密協作，分銷商專家團隊共同開發了兼具技術先進性與經濟可行性的解決方案。此外，他們還協助客戶實現特定顏色色調的調配（圖3）

生物聚合物、回收材料亦或二者兼用？

生物基材料的創新研發周期正日益縮短。為確保這些研發成果能夠成功應用于實踐，產研緊密合作至關重要。例如，Meraxis正在與德國霍夫應用科技大學生物聚合物循環經濟研究所進行合作。該大學在生物聚合物領域展開了深入研究，而Meraxis則通過其在市場和加工方面的專長對此進行支持。該公司還協助供應商在早期階段對新研發的化合物和生物基聚合物變體的實用性進行測試并參與其后續開發。通過這種方式，新產品能夠被精確定制以契合市場需求。

若企業希望采用更可持續的材料，他們通常需要在回收材料和生物聚合物之間做出選擇。生物基材料在許多情況下都是一種可行的方案，例如因法規限制而無法使用回收材料時，如直接接觸食品的包裝。近期推出的歐盟包裝法規《包裝和包裝廢物法規》（PPWR）明確要求提高回收材料的使用比例，這也推動了市場對回收材料的需求不斷增長。在這一背景下，生物聚合物可成為回收材料的重要戰略替代品。反之，回收材料在高機械負荷、具有長期穩定性需求和價格敏感的應用領域則具有顯著優勢。盡管如此，這兩類材料并非互斥關系，它們在實踐中可通過針對性組合來充分發揮二者的優勢。

結語

為了使生物聚合物在實踐中充分發揮其潛力，深厚的技術專長必不可少。通過專業的實踐指導、實驗室支持以及供應鏈上下游的緊密合作，生物基材料能夠被可靠地整合到現有工藝流程中。如今，它們在許多應用領域已成為化石聚合物真正可行的替代方案。這些材料不僅技術先進，還兼具生態附加值。對于那些注重可持續發展、技術創新和未來導向型聚合物解決方案的加工商而言，選擇生物聚合物絕非妥協，而是深思熟慮的明智之選。

本文由榮格獨家翻譯自Plastics Insights雜志
作者：Andreas von Dorn

來源：榮格-《國際塑料商情》

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