赵红玉1 ， 唐赛珍2

（1.中国轻工业出版社，北京 100740；2. 中国轻工业信息中心，北京 100088）

摘要：介绍了生物降解塑料发展现状，分析了近年来快速发展的主要因素，并从减量化、资源化、无害化和资源补充替代几个方面论述了生物降解塑料在保护环境及实施可持续发展战略中的作用。生物降解塑料，尤其是原料来自可再生资源的生物质塑料的生产和消费过程符合清洁生产和绿色消费的要求，有利于节约资源，减轻环境负荷；其废弃物的处理可采用堆肥化处理，可实现资源化再利用，符合可持续发展的要求；对不易回收利用的应用场合，应用生物降解塑料可部分代替不可再生的石油资源，可缓减对环境与资源的压力。
关键字： 生物降解塑料 ； 循环经济；资源； 环境； 可持续发展

Biodegradable Plastics and Sustainable Development

ZHAO Hong-yu1 TANG Sai-zhen2
(1、China Light Industry Press ,Beijing ,100740; 2China Light Industry Information Centre
Beijing,100038)

Abstract：Focuses on the description of current status and the rapid development of the biodegradable plastics. In the end, the paper illustrates the function of the biodegradable plastics in environment protection and the sustainable development from the reduction, resource, harmless-ness and resource complement points of view. Biodegradable plastics, especially the production and consumption of biodegradable plastic whose raw material comes from reproducible resource according with clean production and green consumption, is propitious to save resource and reduce environment press. The disposal of rejectamenta can adopt compost disposal to realize recycling economy and sustainable development. To those irrecycle situation, the application of biodegradable plastics can partially substitute irreproducible petroleum and reduce the press of environment and resource.
Key Words：biodegradable plastics; recycling economy; resource; environment; sustainable development


20世纪中末期以来，全球更多的国家相继走上了以工业为主要特征的发展道路，高投入、高产出、高消耗的经济发展模式，促进了经济快速发展，创造了人类前所未有的巨大物质财富并加速了世界文明的演化过程，但伴随而来的是地球资源被肆意开发和过度消耗，生态环境急剧破坏和日趋恶化，致使人与自然的关系进入了紧张的状态。面对严峻的现实，世界上无论是发达国家还是发展中国家都被迫理性地探索新的发展模式和发展战略，寻求一条经济增长和社会发展与资源、环境和谐发展良性循环的发展道路。
在1987年《我们共同的未来》研究报告中[1]，对可持续发展是这样定义的：“既满足当代人的需求，又不对后代人满足其自身需求的能力构成危害的发展”。可持续发展是一个涉及经济、文化、技术及资源环境的综合概念，它是立足于珍惜自然资源和环境保护的角度提出的关于人类长期发展的战略和模式，是经济、文化、资源、环境和谐发展的象征。
进入21世纪，在未来经济发展中，全球更将面临人口日益增多，不可再生资源日趋贫乏、生态环境愈加恶化的问题以及由此引发的既要节约并合理利用资源，特别是那些不可再生资源，又要确保人类的物质供给以及人类生存环境、保持洁净的生活空间的严重挑战。因此构筑节约资源、循环经济、环境和谐型社会，走可持续发展道路已成为全球关注的焦点和发展方向。生物降解塑料（BDP）作为实现上述目标的措施之一，正在受到广泛关注。

1. 生物降解塑料发展现状 [2~7]

1.1国外简况
生物降解塑料是治理塑料废弃物对环境污染及缓解石油资源矛盾的有效途径之一，市场前景十分广阔。近年来，美、日、欧等发达国家十分重视BDP，特别是其原料来自可再生资源或产业废气综合利用（如CO2）的生物质塑料的发展，正在投入大量人力、物力，加快实用化和产业化进程。据资料报道，全世界2002年BDP市场规模250kt,。据分析，其中美国约占50%，欧洲30%，日本10%，其他国家10%。
目前全球研发的BDP品种已达几十种，但进入批量生产和工业化生产的品种只有微生物发酵合成的聚羟基脂肪酸酯(PHA、PHB、ＰHBV等)；化学合成的聚乳酸（PLA）、聚己内酯 (PCL)、二元醇二羧酸脂肪族聚酯（PBS）、脂肪族∕芳香族共聚酯、二氧化碳∕环氧化合物共聚物（APC）、聚乙烯醇（PVA）等；天然高分子淀粉基塑料及其BDP共混物、塑料合金，如淀粉∕PVA、淀粉∕PCL、淀粉∕PLA等。

1.1.1美国
美国Nature Works公司已建成140kt/a以淀粉为原料的PLA生产规模，据称2005年产量达50kt左右，其成本已从原来每吨高达8000美元下降到2000~2500美元。该产品是至今世界上BDP生产规模最大的产品，其产品正在美国本土应用推广，如一些国际知名大公司：可口可乐、沃尔玛、邓禄普太平洋公司等已用它制造杯子、食品包装材料、高尔夫球座等，另外还出口日本、德国、中国、韩国等国家，并与日本多家公司协议加强合作，大力开拓应用领域。DuPont公司、Eastman Chemical公司开发的脂肪族∕芳香族共聚酯，已建成年产万吨级生产规模；Dow Chemical公司开发的PCL，已建成4.5kt/a规模生产线，并已批量生产；Novon InternationaI公司开发的淀粉基塑料系列产品，已建成45kt/a规模的工业化生产线，已用于垃圾袋、餐具、尿布、农膜等，其他还有EnvironmentaI Products公司开发的PVA，已建成10kt/a的生产规模。

1.1.2欧洲
欧洲近年来也加紧BDP的开发。意大利Novaman公司开发的淀粉/PCL、PLA、PVA 合金 “ MaterBi”是最早投入市场的BDP，已建成20kt/a生产规模；德国已商品化的产品有Biotec公司开发的淀粉基塑料已建成2kt/a生产线，已用于生产餐饮具、托盘或与PCL、PLA等共混生产薄膜等产品；BASF公司开发的脂肪族/芳香族聚脂，已建成8kt/a生产规模，年底将扩建14kt/a，主要用于薄膜类产品；荷兰Rcdendenduvg生物聚合物公司以废弃马铃薯皮为原料研发成功的淀粉基塑料，已建成千吨级中试规模，并已批量生产。

1.1.3日本
日本是全球BDP研究和应用开发最为活跃的国家之一，特别是在应用技术开发方面投入了相当大的人力、物力，并已在包装及一些非包装领域取得了可喜的进展。日本开发的主要特点是除在国内加强具有自主知识产权的产品，如PBS、PLA的研发外，还与国外已工业规模生产的公司合作，引进技术或进口已商品化的产品，根据不同特性和市场要求，进行改性或加强市场开发和培育，从而大大缩短了商品化进程。据报道，日本已工业化生产的BDP有昭和高分子公司、三菱化学/味の素公司分别建成的3kt/a PBS；タイセル化学工业公司建成的1kt/a PCL；三井化学公司0.5kt/a的PLA，日本合成化学工业公司、クラレ公司等的PVA 等。市场消费的BDP主要有PLA、 PBS和淀粉基塑料等，其消费量各占1/3。产品结构：淀粉基塑料主要用于缓冲包装的发泡材料和捆包材料，在总消费量中约占35%，PBS主要用于农林水产和土木资料，约占30%；部分PBS和PLA主要用于包装袋和垃圾袋等，约占10%；PLA主要用于带视孔的封筒、文具及工业包装材料，约占25%。
目前日本从事DBP应用开发的公司数倍于BDP生产开发公司，近年来从事PLA应用开发特别工业应用开发的公司日益增多，并已有商品问世。

1.2 国内现状
我国降解塑料的研发起步于20世纪70年代的光降解塑料，80年代研发淀粉添加型降解塑料。90年代，基于我国垃圾管理工作的滞后及部分国民环保意识淡薄而引发的对“白色污染”的声讨和责难，再加上当时一些夸大的地膜污染报道及受国外80年代降解塑料热的影响，我国曾多次掀起降解塑料开发热潮，研发的重点是光降解、碳酸钙填充的光降解、淀粉添加型部分生物降解、淀粉添加型热氧化生物降解、热氧化降解等。上述降解塑料具有一定降解功能，而其应用性能和价格较接近普通塑料，而且经实践证明，这些降解塑料在减轻环境污染和缓解资源矛盾方面也曾起到一定作用，因此一度受到市场青睐。但由于它们属不完全降解类型，其残留碎片（末）在农田和土壤中，虽经10多年的跟踪试验，若降解碎片在16cm2以下，对土壤容量、密度、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。但其长期积累对农作物生长有无影响等尚缺乏长期应用跟踪及缺乏适宜、合理的评价方法和标准，致使多年来对其发展一直存在较大争议和受到一定制约。
近年来，随着国外BDP生产技术日趋成熟，生产规模不断扩大，价格不断下降，产品逐步进入市场，我国也掀起新的研发BDP热潮，并取得了可喜的进展。目前已进入中试、或已批量生产的品种有PHA(PHB、PHBV、PHBHHX等)、PLA、PBS、APC、改性PVA、淀粉基塑料、淀粉/PVA、PLA、PCL等塑料合金及共混物等。
PHA是我国研发较早、投入力量较大的品种之一。主要研发单位有清华大学、中国科学院微生物所、中国科学院长春应用化学研究所、山东大学、江南大学、宁波天安生物材料有限公司、天津国韵生物科技有限公司、江苏南大集团、广东汕头联亿生物工程有限公司、深圳奥贝尔公司等，其中天安生物材料有限公司已建成年产1ktPHBV的生产规模，目前正在致力于应用开发及开拓市场。
APC是我国具有自主知识产权、技术水平已列世界前茅的生物质塑料，主要研发单位有中国科学院长春应用化学研究所、中国科学院广州化学研究所、浙江大学、中山大学、内蒙古蒙西高科技材料股份有限公司和江苏泰州金龙绿色化学有限公司等。蒙西公司采用中国科学院长春应用化学研究所的技术成果和专利，建设了年产3kt二氧化碳/环氧丙烷共聚物(PPC)生产线。目前该企业正在与山东合作开发医用生物材料。金龙公司系采用中国科学院广州化学研究所的专利技术，建设了2kt二氧化碳/环氧乙烷共聚物(PEC)及以其为基料与二异氰酸酯合成的聚氨酯生产装置，该产品可用于家用电器包装等用途。
PLA是近年来广受关注的BDP品种。研发单位主要有中国科学院长春应用化学研究所、中国科学院成都有机化学研究所、中国科学院上海有机化学研究所、上海同济大学、天津大学、南开大学、东华大学、华东理工大学等。其中中国科学院成都有机化学研究所目前已经能合成相对分子质量100万的消旋PLA。这种高相对分子质量的PLA具有很好的力学性能。中国科学院长春应用化学研究所和浙江海政集团有限公司合作开发，最近在30t/a 的中试成果基础上，正在设计和组建年产5kt的产业化示范工程生产线，并着力于改性及应用开发研究。上海同济大学与上海同杰良生物工程有限公司等单位承担上海科教兴市的重大科技产业项目，正在建设具有自主产权的1kt/a PLA（一步法）生产线，还正筹备扩建10kt/a产业化示范工程项目。河南飘安集团有限公司与四川琢新生物材料研究所合作，已建成6t/a中试生产线，并与华东大学合作研发医用防护品。其他进行中试的单位还有成都迪康中科生物医学材料公司、上海新立微生物公司、上海九鼎集团公司等。
PBS主要研究单位有清华大学、中科院北京理化所、上海有机所等，中科院北京理化所目前正与江苏泰州合作建设年产2kt的生产基地。
淀粉基塑料及淀粉与BDP共混物是我国积极开发的产品，研制的单位相当多。主要研发单位有中科院理化所、中国科学院长春应用化学研究所、江西科学院、北京理工大学、华南理工大学、天津大学比澳格（南京）环保材料有限公司、广东上九生物降解塑料有限公司，广州优宝生物科技有限公司，浙江天示生态科技有限公司、中京科林新材料（深圳）有限公司、武汉华丽科技有限公司、哈尔滨绿环降解塑料有限公司、黑龙江绥化绿环降解塑料有限公司，烟台万利达环保材料有限公司等。
PVA薄膜生产技术主要研发单位有株洲工业学院和广东肇庆华芬公司合作开发的PVA湿法流延膜生产线，已批量生产。PVA改性吹膜技术研发的单位有北京工商大学、轻工塑料加工应用研究所开发的改性干法塑化造粒及吹膜技术，已在河北鹿泉县建立中试基地小批量生产；北京丰阳塑化工程技术有限责任公司除开发改性PVA吹膜技术外，还开发了淀粉改性PVA（S-MP）塑料合金工艺技术及双螺杆生产合金生产线，已在大兴建成年产4kt生产线，并开发了薄膜、瓶、高尔夫球座等产品。广东肇庆华芳降解塑料有限公司开发淀粉/PVA共混技术及吹膜技术，已建成年产2kt生产线，用途正在开拓中。

2．推动BDP快速发展的主要因素[3]
BDP的研发历史不算太短，但由于其技术的复杂性，涉及学科多样性，用后回归自然的快慢除材料本身结构外，还受到环境条件的制约，而更主要的是其应用性能还存在一些不足和价格高昂等，因此较长时间以来一直停滞在研发、小试和中试阶段。进入21世纪以来，主要经受环境和资源的压力，而且从美国PLA年产140kt生产规模建成投产，性能不断改进，成本大幅度降低，并经权威检测机构通过了可生物降解和可堆肥化的认证，给各国政府和广大研究者带来了希望，增强了信心，从而激发了开发和产业化热潮。概括近几年来，推动BDP快速发展的因素，主要有以下几方面。

2.1环境和资源的压力[8-9]
首先是环境污染问题，据报道，世界塑料废弃物年生产量已逾1亿吨，其中约40%为包装、日用和农用领域等的一次性消费品，这些产品属塑料“短寿命”应用范畴，一般使用1～3个月或半年，最长也就是一年。大多随同生活垃圾进入城市固体废旧物(MSW)处理系统，有的被随意丢弃。目前西方工业发达国家的MSW中，塑料废弃物所占比重逐年增长，有的高达10%以上，而体积比则高达1/3左右。由于这些塑料在废弃过程中，量大、分散、脏乱，较难收集再利用，因此回收利用较难。如美国2000年塑料废弃物产生量16000kt,在MSW中占9.6%（其中塑料包装废弃物占4.1% ），回收利用率仅35%。日本2005年塑料废弃物（包括未被利用的边角料）产生量10010kt，回收利用率58% 。我国2004年塑料废弃物产生量约8000kt,在MSW中占6.6%，回收利用率仅20%。另一方面，这些一次性塑料制品的原料大部分为聚烯烃，属惰性材料，对微生物不敏感，不易在自然环境中生物降解。填埋和焚烧处理，也由于场地不足和抑制有害气体法规的出台而受到制约，从而在MSW处理方法中也受到限制。为此各国相继制定了一些政策法规，禁用、限用、规定回收利用目标以及收取治污费等。最近“京都议定书”要求减少产生温室效应的气体排放，这对发展中的塑料工业带来严重的威胁和挑战。为了减轻这些难以回收利用又不易降解的一次性塑料的环境压力，倡导采用BDP被认为是适宜的选择。
其次是资源的供给问题。过去几十年来，塑料工业的快速发展，主要是建立在石化原料基础上。据报道，全世界每年约有1.5亿石油天然气等石化资源用于化学合成“高分子聚合物”。塑料工业消耗的石油能源占全部石油消耗的7%，其中生产占3%，原料占4%。我国石油资源贫乏而又是能耗大国，石油年耗费近4亿吨，其中约1/3依赖进口。石油是一类资源有限，正在日渐减少又面临枯竭的不可再生资源。据日本资料报道，全世界石油可开采的年限约45年，天然气约63年。又据联合国 “世界能源评估报告”指出，目前全球能源体系不够可靠，价格不够低，不足以支持广泛的经济增长。近一年来，石油价格暴涨对塑料工业带来的供求矛盾和冲击，充分说明了塑料工业的可持续发展必须遵循循环经济的理念，加强回收利用，同时也必须加快摆脱其对石油的过分依赖的局面。目前欧美日本等发达国家正着手研究制定减量化、再资源化及实施利用可再生资源，补充替代不可再生的石油资源的战略，从而加速了生物质塑料的研发与应用开发。

2.2政府的热情关注和政策扶持
基于生物质塑料对资源、能源、环境和市场等方面的重要意义，目前许多国家的政府对其发展予以热情关注和政策扶植。欧美许多国家政府正着手制定利用可再生资源补充替代石油资源的策略。如美国制定的可再生资源开发和利用的战略设想目标中，2020年化学基础产品中至少有10%是以植物和农作物基为原料的可再生资源，2050年将提高到50%。而且提出无论采用何种技术，凡将现以石油为资源的，转化为以可再生资源为资源，都符合可持续发展方向，也适应环境生态要求。美国为奖励再生资源的开发和利用，从1996年起设置美国总统绿色化学挑战奖，美国能源部也设立奖金予以鼓励。
日本从上世纪90年代以来对BDP一直予以极大地关注，并在政策和资金上大力扶持。2002年日本提出生物技术(BT)战略大纲，日本（BN)综合战略。战略大纲中对生物技术开发的产品，从原材料制造到制品用后废弃以及进一步再循环达到回收利用的整个过程。对资源环境的负荷，对循环型体系和生态体系的影响等方面进行研讨和评价，并决定制定积极综合利用农林水产业废弃物及食品废弃物生产生物能源与生物质降解塑料、饲料和肥料等有关研究计划和政策。2003年提出实现与环境谐调型工业的绿色生物方案的构想，及进一步开发节省资源，节约能量的生产方法。促进塑料原料从有限的石油资源向可再生资源替代政策的实施。
我国目前正将生物技术及生物材料的研发列入 “十一五”规划，将石油化工原料的生物替代提到战略高度，规定到2010年石油消费的10%～15%将由生物材料替代。为此正在加快以生态材料为代表的生物工业技术和产品的工业化进程，以降低工业对石油的依赖，促进我国能源和资源的可持续发展。

2.3加强应用和市场培育
目前世界上已工业化规模生产的BDP如PLA、PCL、PBS、PVA和淀粉基塑料等，虽已分别形成了千吨级、万吨级和十万吨级生产规模，但由于应用开发和市场培育不力，性能有待改进，产品价格过高，因此难于被市场接受，实用化进程受阻，产能不能充分发挥。为了扭转这种不良局面，近年来欧美日等国家加强应用开发和大力培育市场，以加速产业化、实用化进程。
在加强应用开发方面，以PLA为例，美国Nature Works公司与日本三菱树脂、三井化学、钟渊化学等十多家公司合作，由Nature Works提供PLA，日本有关公司根据PLA特性和产品定位及市场需求开发食品包装、工业包装、电器外壳及纤维、医用无纺布等几十种产品，并正逐步进入市场。
BDP进入市场的一个主要壁垒是其价格较普通塑料高1～10倍，因此各国对BDP产品定位首先是用于医用材料和高附加值产品的包装材料，但这些领域用量不大。而随着BDP产能的不断扩大，其主要目标正逐渐进入量大面广的包装、日用杂品及农用资材等领域。如日本三菱树脂公司研发的PLA薄膜有双向拉伸薄膜、流延薄膜和收缩薄膜。其中具持久透明性和高耐热及抗冲击性泡罩包装以及具有高度收缩性的收缩薄膜和高拉伸性的缠绕薄膜等，已用于索尼牌多功能收音机的包装及两面热封型的太妃糖包装，此外还用于一般包装，如点断袋、可印刷的复合膜、带视孔信封、卡片用膜等。近年来从资源替代和环保功能的视角PLA的用途开拓除食品包装外， 正在大力开发工业包装领域，如东芝公司的PC卡片型用发泡材料，富士通公司标准型笔记本电脑壳体，索尼公司的携带式收音机的泡罩包装，松下电池工业公司的干电池泡罩包装，三洋公司与三井化学公司的CD壳体及包装盒、日本丰田汽车公司的新型汽车内饰件、门贴面、车座、顶篷及备胎，NEC公司用孟买麻纤维增强改性的PLA制造个人笔记本电脑外壳等。
为了培育市场，目前许多国家首先从大型活动如奥林匹克运动会、世界博览会及大型超市、公共场所入手，倡导使用BDP包装材料和制品。据报导，1994年欧洲利勒哈默尔冬季奥运会、1996年美国亚特兰大奥运会、2000年澳大利亚悉尼奥运会，2005年日本“爱知•地球”国际博览会均采用了BDP包装材料和餐饮具，对绿色奥运和市博会的成功举办起了积极作用。最近美国大型超市沃尔玛在90家连锁店和德国某城市小卖店、超市也倡导使用BDP包装袋及容器，以此逐步促进消费者的认可。

2.4检测方法、相关标准和认证标志的建立和完善
建立和不断完善统一的检测方法、相关标准和认证标志，是确保BDP健康、顺利进入市场的因素。近年来国际标准化组织(ISO)和欧美日以及我国在这方面做了大量工作。

2.4.1检测方式
当前国外BDP废弃物主要通过堆肥化处理，主要以下列三种方式进行检测。
 最终碎裂结果：完成堆肥过程后，最终碎裂结果不得残留有可供辨认的塑料碎块。
 生物降解程度：应具有与天然材料如落叶、木屑等同的降解速度，并可被微生物分解转换成二氧化碳和水。
 毒性测试与要求：堆肥环境中不应对作物生长造成影响，土壤中的重金属含量不得超过环保的限制指标。

2.4.2主要标准试验方法及认证标志
1999年ISO发布了世界统一的BDP标准试验方法：ISO14851（水性培养液需氧条件下塑料材料生物分解能力的测定——采用密闭呼吸测定需氧量的方法），我国等同采用和转化为相应的国家标准为GB/T19276.1-2003；ISO14852（水性培养液需氧条件下塑料材料生物分降能力的测定——采用测定释放二氧化碳的方法），我国转化为相应的国家标准为GB/T19276.2-2003；ISO14855（可控堆肥条件下，塑料材料最终需氧生物分解能力和崩解能力的测定——采用测定释放二氧化碳的方法），我国转化为相应的国家标准为GB/T19277—2003；ISO846-1997（特定微生物条件下塑料材料潜在生物分解能力的测定，我国修改采用，转化为相应的国家标准为GB/T19275-2003；2002年ISO发布的ISO16929 (在定义堆肥条件下，塑料材料崩解程度的测定)，我国转化为相应的国家标准为GB/T19817-2005。相关标准测试方法的制定，有力地推动了BDP的研发。
另外，经常被标准认证组织引用的标准有ISO14021，美国ASTM D6002-1996（环境降解塑料可堆肥化认证法规），美国ASTM D6400-1999（可堆肥化塑料规范）等。
有关世界BDP可生物降解、可堆肥化的认证标志如下图所示。