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中国降解塑料的研究与开发
唐赛珍 陶欣 （中国塑料工程学会降解塑料研究会，北京100088）
一、 中国塑料工业的生产和消费概况 中国塑料工业是一门制品工业，又是一门新兴的材料工业。近年来，随着国民经济，特别是石油化学工业的迅速发展和不断增长的社会需求，它获得了快速发展。据有关部门统计和预测[1]，1998年中国合成树脂总产量6765kt,五大通用合成树脂进口量8185kt，塑料制品总产量16625kt。在过去10年（1990～1999）中（见图1.），合成树脂年平均增长率为15.32%，塑料制品为18.95%。当前中国塑料工业已跻身于世界塑料工业五大国的行列，合成树脂产量在美国、日本、德国、韩国之后居第五塑料材料和产品作为一种重要工业资材和消费资材，已广泛应用于工业、农业、包装业和高科技领域以及人民生活的各个方面，它已和钢铁、木材、水泥并列成为四大支柱材料，在促进国民经济各部门的技术进步和满足人民生活需要方面发挥着越来越重要的作用。位，塑料制品仅次于美国（见图2.）[2]，居第二位。 中国塑料工业随着产量的不断增加，其消费量也迅速增长，应用领域也进一步扩大。1998年合成树脂的表观消费量约14940kt，塑料制品为14276 kt。1998年中国塑料制品市场分布[4]（见图3）。 二、中国一次性塑料废弃物现状及治理对策[5] 塑料作为一种新材料，具有质轻、坚实耐用、易加工及性能/价格比良好等优点，但其在用后，特别是一次性塑料包装废弃物和日用杂品，它们在用后不易回收利用，也不易被环境降解，一部分随从生活垃圾进入城市固体废弃物（MSW）处理系统，由于中国现阶段MSW处理体系，除北京、上海、深圳等几个大城市具有一定数量的卫生填埋及现代化焚烧装置外，相当多的城市的垃圾最终处置方式基本上停留在裸露堆放或浅埋水平，由此一遇大风，质轻体积大的塑料袋（膜）则漫天飞舞；另由于部分人们环保意识淡薄，塑料废弃物常被随意丢弃而散落在庭院、街巷、铁道两侧、江河湖泊及旅游景点等自然环境中，对市容景观、生态环境造成了负面影响，被形象地比喻为"白色污染"，由此给人们带来极大捆扰，并引发了新的环境问题。 据有关部门统计，近年来，中国包装用塑料约4000kt，其中难以回收利用的一次性塑料包装约占30%，则每年产生的塑料包装废弃物约1200kt；塑料地膜400多kt，由于较薄（10μm以下），用后破碎在农田中并夹杂了大量的沙土，很难回收利用；难以回收利用的一次性日用杂品及医疗用品约400kt，综合以上各项一次性塑料废弃物达2000kt左右。又据北京、上海、天津等城市的调查，塑料废弃物在MSW中的重量比约占3～7%，而体积比则占10～20%。由此引发的环境问题日益严重，引起了社会极大关注和强烈反响。对此，中国政府予以了极大的重视，正积极研究对策和措施，提出：宣传教育为主导、强化管理为核心、回收利用为手段、产品替代为补充的策略，并运用行政、科技、经济等手段进行综合治理。 ㈠管理方面 ⒈1996年国家颁布了《中华人民共和国固体废弃物处理法》，对地膜及一次性包装材料和制品明确规定应当采用易回收利用、易处置或易在环境中消纳的产品，并已起草了《固体废弃物污染环境防治法实施条例》，正在征求意见中； ⒉1997年国家环保总局选择北京、天津作为EPS餐具废弃物回收试点，制定回收处理目标和征收治污细则。目前回收工作进行顺利，北京回收率达60%，天津达50%； ⒊1998年，国家环保总局、建设部、铁道部等联合发布了《关于加强重点交通干线、流域及旅游景区塑料包装废弃物管理的若干意见》，主要内容：铁路、车站、车内、长江及太湖等内河水域航运的船舶上禁用一次性聚苯乙烯发泡塑料（EPS）餐具等； ⒋1999年国家经贸委6号令，2000年底前淘汰聚苯乙烯发泡餐盒； ⒌近年来，继北京、广州、武汉、杭州、长春、大连等十多个城市出台禁用或限用EPS餐具、超薄塑料袋的法令后，去年上海市发布了《上海市一次性塑料饭盒管理暂行办法》，实行“源头控制、回收利用、逐步禁止、鼓励替代”的原则。天津市发布了《天津市超薄塑料袋和一次性发泡塑料餐具管理办法》，禁止生产、销售不可降解的超薄塑料袋和一次性EPS餐具，鼓励生产和推广使用可降解超薄塑料袋和可降解的一次性餐具。 ㈡技术方面 治理一次性塑料废弃物对环境污染是一项社会系统工程，除加强管理，制订有关政策法规，扶植有利于环保的企事业发展，提高人们环保意识外，在治理技术方面主要依靠科技进步的方法，实施省资源化、再资源化、无害化等战略，多法并举、防治结合的对策和措施。 ⒈省资源化 省资源化即减容、减量，主要是减少有限资源的耗用量和抑制塑料废弃物的产生量，包括可用可不用的尽量不用或少用；或通过填充天然有机材料或无机材料，减少塑料用量，不仅节省有限资源，也可减少污染；或通过提高产品质量、增加功能，延长寿命、一物多用，减少一次性塑料包装的消费量；减薄，即在保证应用性能前提下，通过改变原材料配方和产品结构设计，使产品达到轻量化、薄壁化；以及开发适量包装，抑制过剩包装等。以上做法不仅可减少原料用量，同时也可减少垃圾产生量和体积，随之也节省生产和运输过程中的能耗，这是治理环境污染的主要措施，也是防患于未然和从源头抓起的好办法。 ⒉再资源化 再资源化即回收利用，不仅仅是一个技术问题，而更重要的是包括从立法、回收、生产、检验、销售等一整套系统工程的问题，是保证国民经济持续发展，经济、资源、环境相互协调的有效方法。从塑料废弃物总体而言，相当一部分是易回收利用的，但对一次性塑料废弃物而言，必须根据各地废弃物的种类、质量、数量、流向及处理方法，易回收又具有回收利用价值、经济合算的应尽最大力度去回收利用，包括材料、热能、燃料油、化学品等，这不仅仅有利于保护环境，而且从节约地球有限资源，有效利用再生资源的角度均具有重大意义。但目前回收利用在中国还刚刚开始，无论在废弃物的分类、收集、回收体系的建立，高效回收技术和设备的研制开发、回收再生料的产品方向以及回收利用的技术经济评价等还很不完善，有待于加强科技投入，进一步研究解决。 ⒊无害化 在现实生活中，有许多一次性塑料废弃物如超市用包装袋（膜）、垃圾袋、地膜、餐盒、育苗钵等，由于量大、分散、脏乱，很难收集，即使强制收集，经济效益差甚至无效益的，这些产品推荐采用可降解塑料比较适宜。多年来通过实验室检测、实地土壤填埋、垃圾堆埋以及大田覆盖和实际应用跟踪结果表明，中国当前研究开发的降解塑料在一定环境条件下和经过一定周期，其废弃物可以达到形态变化（或形态不变，但一触即碎）、力学性能降低、分子量下降、化学结构变化、可微生物分解等，证明不仅发生了物理变化，同时也发生了化学变化，经历了劣化、衰变、崩坏、降解等过程，短期内可以碎裂成无害化的碎片或碎末，达到塑料废弃物减容减量从而减轻或抑制环境污染的目的。而随着时间的推移，最终可完全降解，回归自然。 三、中国降解塑料研究开发概况[6] 中国光降解塑料的研究开发起始于70年代中期，80年代少数几个单位进行了淀粉填充型崩坏性生物降解塑料的研究，90年代随着环保呼声日益高涨，降解塑料的研究有如雨后春笋蓬勃发展，并多次掀起开发生产降解塑料热潮。近年来，中国部分地区在经历了90年代初期的急燥发展、盲目上马以致经济受到一定损失后，目前降解塑料的发展已比较理智、冷静，正面对现实，根据国情，从资源、技术、经济、市场、环保等方面统一考虑，研究新技术，开发新型高效促降解剂，提高降解时控性、快速降解性和完全降解性，开拓新用途，积极研究科学合理符合国情的试验评价方法和标准，并致力于进一步降低成本。 中国研究开发的降解塑料品种有光降解、光/生物降解、光/碳酸钙降解、光/氧/生物降解（可环境降解）、完全生物降解、崩坏性生物降解等塑料以及高填充碳酸钙环境友好材料等。其中光/生物降解、可环境降解塑料地膜先后列入国家“八五”“九五”重点科技攻关计划；变性淀粉及其生物降解功能母料及制品1999年被国家计委列为产业化示范工程项目；完全降解塑料聚3－羟基丁酸酯和戊酸酯共聚物（PHBV）、聚羟基烷酸酯（PHAs）、聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）等列入了国家和地方“九五”重点科技攻关及863计划。从总体而言，除合成型光降解、完全生物降解塑料外，中国降解塑料的研究开发进程与世界同步，技术水平和世界先进水平接近或相当。 据不完全统计，目前中国从事降解塑料有一百多家，已初步形成产学研相结合的开发体系。已建成的双螺杆降解母料生产线近100条，能力约100kt，已有部分企业如天津丹海股份有限公司、吉林金鹰实业（降解塑料）有限公司、南京苏石降解树脂有限公司、深圳绿维塑胶公司、深圳德实利（中国）集团公司、海口天人降解塑料有限公司、惠州环美降解树脂有限公司、宁夏华西降解树脂制品有限公司等已正式投产或批量投产（见表1），产量约20～30kt，其中具有代表性的产品是天津丹海公司开发的淀粉基生物降解技术和生态利系列产品，具有独立自主的知识产权，用其制得的薄膜，变性淀粉等可生物降解成份含量可高达51%以上，育苗钵和注塑制品可高达60～80%。这意味着产品不仅具有良好的生物降解性能，而且可以节约有限的石油资源，并可大大减少塑料垃圾产生量，符合省资源化和从源头抓起及减量化的原则。另外由于加入了大量淀粉和促降解助剂，其废弃物有利于堆肥化处理，是回收利用的一种独特方式，符合再资源化的治理措施，受到国内外极大关注，产品正稳步进入国内外市场；吉林金鹰实业（降解塑料）有限公司、宁夏华西降解树脂制品有限公司具备了生产的光/钙降解塑料膜制品中超细碳酸钙的含量达51%以上的工业化生产技术；福州师范大学环境材料研究所开发的可降解、可焚烧塑料材料，通过添加30%以上经表面生物活化处理的超细碳酸钙，不仅可促进生物降解，而且可减少光敏剂的用量，降低成本，有利于实现垃圾焚烧及掩埋综合处理的方式，并可达到减量化、省资源化的目的。我国完全生物降解塑料近年来取得了可喜的进展，其中清华大学、宁波生物技术有限公司、湖南中玉环保材料实业有限公司、汕头华逸生物工程有限公司等正在进行中试生产和产品应用试验。 中国降解塑料目前开拓的应用领域主要有农用、包装和日用一次性消费品，开发的产品主要有地膜、育苗钵、肥料袋、堆肥袋、包装膜（袋）、食品袋、超市购物袋、垃圾袋、快餐餐具、饮料杯、台布、手套、高尔夫球座等等。目前降解塑料地膜处于示范应用阶段，一次性包装材料及日用杂品正有序地推向市场，并有部分母料和产品已进军国际市场。完全生物降解塑料处于中试阶段，其产品在医用材料、高档包装材料、涂敷料方面正在积极开拓市场。 为配合降解塑料科学地发展、中国也正在积极进行试验评价方法和标准的研究制定工作。降解塑料研究会协同中国农科院、广州合成材料研究院、中科院上海有机所、上海三林降解树脂制品公司、福州师范大学环境材料研究所等单位分别在北京、上海、广州、福州等地对10个单位的PE降解塑料包装膜、降解EPS餐盒和普通膜、盒进行了土壤填埋、垃圾堆埋试验，已取得了许多有益的数据。国家塑料制品质量监督检测中心、中国环境科学院参照ISO846、ISO14851、ISO14852、ISO14855和ASTM5338-92，结合国情，对降解塑料的生物降解性试验评价方法行试验研究。1999年国家技术质量监督局发布了《一次性可降解餐饮具通用技术条件》（GB/T18006.1-99）和《一次性可降解餐饮具降解性能试验方法》（GB/T18006.2-99）的国家标准，中国轻工局发布了《包装用降解聚乙烯薄膜》行业标准（QB/T2461-99），中国环境标志认证委员会经修订后发布了《可降解塑料包装制品技术要求》（HJBZ012-2000） 四、中国降解塑料市场化进程中的一些问题和思考[6] 为了减轻一次性塑料废弃物对环境的污染，中国正在加速降解塑料市场化进程。虽然近两年来在实用化进程方面积累了不少经验，但也存在不少阻力和问题： ⒈对降解塑料及它在资源环保中的作用缺乏统一的认识和确切的评价，以至争议不休。 ⒉可环境降解塑料在国际上至今尚没有统一的定义和完全建立起统一的试验评价方法、识别标志和产品检测标准，致使其技术市场、产品市场比较混乱。 ⒊降解塑料自身技术如更合理的工艺配方、准确的降解时控性，用后快速降解性、彻底降解性以及边角料的回收利用技术等还有待进一步提高和完善。 ⒋价格在市场经济中起杠杆作用，当前有一些单位价格偏高较难被市场接受，而完全生物降解塑料的高昂的价格更成为其进入市场的壁垒。 通过近10年的研究开发和应用实践，要加速市场化进程，必须端正认识、多方配合、正确引导，最重要的一点是必须正确认识降解塑料和确切地评价它们在资源环境中的作用，对此谈谈个人的看法： ⒈正确认识降解塑料 通过多年的应用跟踪研究，结合中国国情，并从实用性、降解性、安全性、经济性综合考虑，降解塑料必须达到以下几个要求： ⑴实用性：具有与同类普通塑料相当或相近的应用性能和卫生性能； ⑵降解性：在完成使用功能后，能在自然环境条件下较快地降解，成为易被环境消纳的碎片或碎末，最终回归自然； ⑶安全性：降解过程中产生和降解后残留的物质对环境无害或无潜在危害； ⑷经济性：价格与同类普通塑料持平或略高。 ⒉采用产品生命周期分析（LCA）方法评价降解塑料的环保适性 当前社会上对塑料与环境的关系仅从其废弃物处理难易出发进行评价，这是不科学的。衡量任何一种材料的环保适性，必须包括资源的合理利用，能源的节约消耗以及用后易于处理等，即是必须采用产品整个生命周期分析评价，才能真实反映产品的环保适性。采用LCA方法评价，降解塑料具有较好的环保适性，不仅可节约有限的石油资源，节省能源，而且生产过程中排放的废气、废水少，污染程度轻，废弃物易降解和处理，垃圾产生量也明显减少。 ⒊以求实的态度评价降解塑料的应用效果 当前有碍于降解塑料快速推向市场较主要的问题之一，是对降解效果的不同要求和评价，降解塑料产品在完成它的使用使命后在几天内能快速降解成CO2和H2O，消灭视觉污染，价格又能为市场所永久接受，这在目前只能是一个美好理想，是不现实的。实践证明，即使纸制品或完全生物降解塑料其回归自然也需要一定的周期，降解的快慢又相当程度取决于所处的环境条件，而且其高昂的成本对于需求量大的一次性包装材料和地膜等，也很难被市场接受。因此在当前的经济条件和技术水平下，对降解塑料的应用效果应进行实际、客观地评价。根据中国农科院土肥所近10年来降解塑料地膜大田覆盖跟踪试验结果及土壤化学污染和物理污染研究结果表明，降解地膜对土壤中的N、P、K无明显影响，也未发现对土壤产生重金属元素铬、镉污染和微量元素钴、铜、镍、钼等的积累；废弃的地膜只要碎裂成16cm2以下的碎片，其在20年内的积累残留量，对土壤容量、比重、土壤水运动、孔隙、团聚体三相比污染的可能性很小，对农作物生长也无不良影响。而且聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等其主要构成是碳氢化合物，这是无毒的。基于这种认识，对降解塑料在实用上就无需苛求其在较短时间内必须降解成CO2和H2O，当然随着时间的推移，其最终也回归自然，只不过降解周期比天然材料要长一些，而比普通塑料则可大大缩短。这既有利于市场化进程，又有利于环境保护。 ⒋积极推进生物降解塑料与堆肥化相结合的处理技术 垃圾堆肥化处理有利于生物降解塑料的应用，而实际应用表明，高淀粉含量的降解塑料制品易于堆肥化处理。根据国外经验，为了有利于堆肥化处理，垃圾袋必须采用生物降解塑料袋，并认为生物降解塑料与堆肥化相结合，是资源再利用及治理一次性塑料废弃物对环境污染的好办法。 ⒌加速研究制定降解性和安全性的试验评价方法标准 为促进降解塑料的研究开发和加速其实用化进程，必须加速研究制定降解性和安全性的试验评价方法标准。 ⒍深化对淀粉填充型聚乙烯生物降解性机理的研究 根据国内外专家特别是日本的大武义人教授十多年的研究，已初步明确：聚乙烯是可以生物降解的，而且聚乙烯中加入变性淀粉及有关助剂可提高其生物降解性，其降解机理也初步探明：“聚乙烯中加入改性淀粉，可提高其生物降解性。其基本的降解机理是：降解塑料制品中所含的淀粉，在短期内被土壤（或垃圾）中的微生物分泌的酶迅速降解而生成空洞，导致制品力学性能下降，并伴随空洞的生成，表面积扩大，从而增大与土壤的接触面；同时配方中添加的自氧化剂与土壤的金属盐反应生成过氧化物，这些过氧化物导致聚乙烯的链断裂而降解成为易被微生物吞噬的低分子化合物，并随着时间的推移，最终回到生物圈进入自然循环”。基于这种初步认识，虽有助于降解塑料的研究开发和推广应用，但对其机理研究仍应进一步加强。 五、中国降解塑料市场前景分析 降解塑料的发展尽管存在种种问题和争议，但通过近10多年的研究与应用实践，充分显示了它无论从地球环境保护的实际角度，或从开发取之不尽的可再生资源，还是从合成功能性高分子和医用生物高分子的高科技产品视角都具有重要意义，符合可持续发展战略的要求，因此其前景看好。 ⑴从环境保护角度分析 当前世界塑料产量已超过1.5亿吨，发达国家中人均塑料消费量超过100kg，而中国仅约13kg。进入21世纪，随着全球经济一体化的发展，中国的经济水平将会大大增长，塑料人均消费水平也势必进一步增加。据预测2005年中国塑料需求量将达到25000kt水平，如按其中难以收集的一次性塑料材料和制品占16%计算，则每年产生的塑料垃圾将达到4000kt，由于其质轻，体积大，其在城市固体垃圾中所占体积比为3:1，增加了收集和处理的难度，面对如此沉重的环境负荷，如何把它降到最低点，已成为全国注的热点。 国外过去塑料垃圾的处理与城市固体物处理方法一样，仍然是填埋、焚烧、回收利用，美国主要为填埋，日本和德国则以焚烧回收热量为主。二十世纪90年代加强了回收利用，但由于近年来填埋场地严重不足，焚烧处理又遇到二恶英排放量控制的问题，因此也日益受到限制。回收利用是保证国民经济持续发展、经济、资源、环境相互协调的有效办法，但现实生活中，有许多一次性塑料废弃物是难以收集或不宜收集或从经济角度没有价值的，这些采用降解塑料被认为是明智的选择。特别近年来许多农田土壤受环境及化肥的影响，严重缺乏有机质，土质逐年下降，因此欧美国家垃圾堆肥化处理发展很快，剩装厨余废弃物和庭院落叶必须采用生物降解塑料袋，实践证明生物降解塑料和堆肥化相结合是治理环境污染的一种好办法。国外的经验教训，应引以借鉴。 ⑵从合理利用资源分析 20世纪塑料材料的迅猛发展是由于其原料来源建立在丰富的石油化工产品基础上，据有关资料报告，世界石油在21世纪中叶将面临枯竭，因此从可持续发展的观点出发，节约有限资源、合理利用资源和开发新的原料来源成为21世纪初全球性的重要发展战略和焦点。目前开发的高淀粉、高碳酸钙填充的崩坏性降解塑料，减少了有限石油资源的利用，达到了减量化的目的，而且经实验室和实地应用检测证明，在一定环境条件下，经一定周期可以崩碎成易被环境消纳的无害化小碎片甚至粉末，从而可以使垃圾减容减量，达到减轻或抑制环境污染的目的。完全生物降解塑料主要采用可年年再生的天然材料为原料来源，不仅节约了不可再生的石油资源，而且又可在较短时间内回归自然循环。 ⑶从合成新型材料的角度分析 开发生物降解塑料，它的重要意义不仅仅在于环保的需要，而更重要的是它是一种新型功能性材料和医用生物高分子材料，如在身体内分解吸收材料，手术缝线，医药农药缓解材料，保水、吸水性材料，阻氧性材料等等，这些塑料作为高科技材料，在满足社会特殊需要和造福人类方面将展示无穷的威力和前景。 ⑷从需求分析 塑料是一种新型材料，它的发展不可能受人们的意志制约，因此，随着塑料的广泛应用，由此产生的塑料垃圾对环境的污染毋庸忽视，对此积极的态度是采用科技进步的办法，多法并举，防治结合。联合国工发组织科学和高科技国际中心于2000年9月在韩国汉城召开的国际研讨会把环境降解塑料子项目作为重点，而且提出塑料垃圾的治理要与塑料制品开发有机结合，这些问题对发展中国家及其逐步繁荣的经济尤为重要。因此降解塑料应有自己的定位，有需要就会有市场。
据有关部门预测，21世纪初中国塑料包装材料需求量将达到5000kt，按其中30%为难以收集的一次性塑料包装材料和制品计算，则废弃物产生量将达1500kt；中国可覆盖地膜的面积为5亿多亩，目前覆盖面积仅达到30%左右，加上育苗钵、农副产品保鲜材料等预计需求量将达到1000kt；一次性日用杂品和医疗材料中一部分也是难以收集或不宜回收利用的，预计其需求量达1000kt。据此，难以回收利用的塑料废弃物将达到3500kt。若其中30%采用降解塑料替代的话，则降解塑料的需求量将达到1050kt，约占中国塑料制品总产量的4%，因此降解塑料在中国具有较大的国内市场潜力。同时由于中国降解塑料产品品质有保障，而成本相对低廉，近两年来国外厂商纷纷来华洽谈贸易和合作，因此中国降解塑料也具有较大的海外市场潜力。 参考文献：（略）
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