生物降解塑料产业现状与未来发展

2022-04-19侯冠一翁云宣刁晓倩宋鑫宇周迎鑫

中国材料进展 2022年1期

侯冠一，翁云宣,3,刁晓倩,3，宋鑫宇，周迎鑫，付烨

(1．北京工商大学化学与材料工程学院，北京 100048) (2. 塑料卫生与安全质量评价技术北京市重点实验室，北京 100048) (3. 中国塑协降解塑料专业委员会，北京 100048)

1 前言

塑料因质量轻、性能优异、耐用性高而被广泛使用，极大地方便了人们的生活。我国塑料工业发展迅猛[1]，据统计，2020年中国塑料制品总产量约8511万吨。然而，在塑料制品在快速发展的同时，如何对其废弃物进行合理处置也遇到了挑战，尤其是大量的一次性塑料制品在使用和废弃后，因处理不当而引发的环境问题已成为全球关注的热点[2, 3]。

世界各国纷纷出台政策，宣布禁止和限制不易回收、易污染的一次性塑料产品[4-6]，欧盟不仅在包装法规中明确规定了有机垃圾的回收、可堆肥、焚烧处理等要求，还在海洋防污条例中规定2021年7月开始禁止和限制使用10种一次性塑料产品[7]。我国也出台了有关塑料污染治理的相关政策，如禁止进口废塑料、加强垃圾分类、减少一次性塑料制品使用等，2020年1月19日，国家发展和改革委员会与生态环境部正式印发《关于进一步加强塑料污染治理的意见》，电商包装、邮政快递包装、外卖包装绿色化成为目前的发展趋势；2021年5月9日，国家发展和改革委员会环资司发布的《污染治理和节能减碳中央预算内投资专项管理办法》中，提到国家将支持生物降解塑料的生产和应用。生物降解塑料受到越来越广泛的关注[8, 9]。

目前，全球生物降解塑料产能约为122万吨，年复合增长率超过20%，聚乳酸(polylactic acid，PLA)、聚羟基链烷酸酯(polyhydroxyalkanoates，PHA)、聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯(poly(butyleneadipate-co-terephthalate)，PBAT)、聚碳酸亚丙酯(poly(propylene) carbonate，PPC)等可生物降解材料不仅性能有了明显改善，且生产成本不断降低，市场竞争力不断提高，其应用也不再局限于高端领域，而是逐渐在纤维、日用薄膜袋、一次性塑料餐盒等生活用品领域和地膜、渔网、花盆等农林渔牧领域得到推广和使用[10]。

本文简述了目前主要的生物降解塑料的行业生产和应用现状，综述了其生命周期评价有关的能耗和排放数据，介绍了各国针对难以回收的一次性塑料产品的禁限政策，期望能为行业未来发展趋势判断提供参考。

2 生物降解塑料的主要品类

根据生物降解塑料的原料来源，一般可将其分为生物基生物降解塑料和石化基生物降解塑料2类。生物基生物降解塑料主要可分为3类：第1类是由天然材料直接加工而成的塑料，第2类是通过微生物发酵和化学合成获得的可降解塑料，第3类是微生物直接合成的塑料[11]。石化基生物降解塑料是指将石化单体聚合而成的塑料，如聚丁二酸丁二醇酯(poly(butylene succinate)，PBS)、PBAT、PPC等。生物降解塑料的主要品种及其化学结构见表1。

表1 生物降解塑料的主要品种及其化学结构

2.1 生物基生物降解塑料

2.1.1 聚乳酸(PLA)

PLA是以乳酸或乳酸的二聚体丙交酯为原料经聚合制备的高分子材料。乳酸通常由玉米淀粉或甘蔗发酵而来，目前也有一些研究尝试从木薯[12, 13]、甜菜[14]等廉价的经济作物中制备乳酸。PLA的合成主要有3种方式，一是乳酸直接缩合；二是由乳酸合成丙交酯，再催化开环聚合；三是固相聚合。目前商业化PLA的合成多以第2条路线为主。除了优异的可生物降解性，PLA还具有透明度高、刚性强、生物相容性好等特点，是目前生物降解塑料中非常活跃和市场应用最好的降解材料之一，主要用于制备片材、吸塑制品、注塑产品等。但是PLA的材质偏硬、脆且耐热性差，因此常与其他类型的生物降解塑料并用以改善性能。

2.1.2 聚羟基脂肪酸(PHA)

PHA是一大类材料的统称，是部分细菌在营养或代谢不平衡条件下合成的一种储能物质[15]，目前已发现150多种不同的单体结构，实际得到规模化生产的仅有几种[16, 17]，其中商品化最为完善的是聚3-羟基丁酸酯(polyhydroxybutyrate, PHB)、聚羟基戊酸酯(polyhydroxyvalerate, PHV)、聚3-羟基丁酸4羟基丁酸共聚物(poly(3-hydroxybutyrate), P(3HB，4HB))及聚羟基戊酸丁酸共聚物(poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate), PHBV)。PHA具有优异的降解性，几乎可以在所有环境(堆肥、土壤、海水)下被微生物降解。由于PHA的单体种类较多，使得PHA的材料学性质变化很大，某些PHA材料具有独特的生物相容性、光学异构性等性能，使其在医学、农业等领域有着广泛的应用潜力。

2.2 石化基生物降解塑料

2.2.1 聚丁二酸丁二醇酯(PBS)

PBS是以1,4-丁二酸、1,4-丁二醇为主要原料聚合而成，其力学性能类似于高密度聚乙烯。PBS于20世纪90年代进入材料研究领域，其力学性能优异、加工性能出色，但在羧基存在的情况下，PBS的耐老化性能稍差。

2.2.2 聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯(PBAT)

PBAT是以对苯二甲酸、己二酸、1,4-丁二醇为主要原料,用直接缩聚法或扩链法聚合制备的热塑性聚合物。PBAT兼具脂肪族聚酯的优异生物降解性和芳香族聚酯的良好力学性能，具有良好的延展性、耐热性、冲击性，是目前生物降解塑料中市场应用最好的降解材料之一，主要用于膜袋类产品的制备。

2.2.3 聚碳酸亚丙酯(PPC)

PPC是以二氧化碳与环氧丙烷为原料共聚合制备的聚合物。PPC具有良好的力学性能和优异的生物降解性能，并且部分原料来自空气中的二氧化碳，有利于缓解温室效应，从而引起了广泛的关注。PPC材料柔性好，氧气和水蒸气阻隔性好，易制备成薄膜，但玻璃化温度低致使其易粘结。

2.2.4 其他石化基生物降解塑料

其他石化基生物降解塑料还有聚己内酯(polycaprolactone，PCL)、聚对二氧环己酮 (poly(p-dioxanone)，PPDO)、聚羟基乙酸(polyglycolic acid，PGA)。

PCL的熔点低，属于柔性材料，生物降解性能好，常被用于生物医用制品和低温3D打印材料等产品的制备。

PPDO的相对分子量较高，是一种综合性能较好、易化学回收的可生物降解聚酯聚醚，可制备成可降解手术缝合线，还可应用于骨科固定材料、组织修复材料、细胞支架和药物载体等，在降解过程中，具有抗张强度和打结强度保留率高的特点。

PGA的熔点较高，硬度较大，属于刚性材料。其在各种环境中都能够快速降解，且阻隔性能优良，但耐老化性能较差。

3 生物降解塑料的生产现状与趋势

据欧洲生物塑料协会统计，目前全球生物降解塑料产能约122万吨/年，主要生物降解塑料种类在总产能中的占比如图1所示。

图1 2020年全球生物降解塑料产量(数据来源：欧洲生物塑料协会)Fig.1 Global production of biodegradable plastics in 2020(data source：European Bio-plastics Commission)

3.1 PLA

根据欧洲生物塑料协会统计(图1)，2020年全球PLA产量约为40万吨。

美国是世界领先的PLA生产及使用国，其中美国Natureworks公司年产能14万吨，2011年，泰国化工品生产商PTT化工公司向Natureworks投资1.5亿美元建设年产7万吨PLA生产线，以扩大Natureworks在泰国的生产规模，预计于2022年第2季度开始动工，届时将成为全球第1家完全一体化的PLA工厂。2014年Natureworks公司增加了1万吨高光纯PLA生产线，将产能扩充到了15万吨。

欧洲公司也在利用泰国廉价的蔗糖供应，在泰国兴建PLA生产线。法国石油巨头道达尔(Total)和世界最大的乳酸生产商荷兰科碧恩(Corbion)公司在泰国注册成立的合资公司道达尔-科碧恩公司(Total-Corbion PLA)，是泰国首家丙交酯生产工厂，年产能7.5万吨丙交酯。在2018年，Total-Corbion新建7.5万吨PLA生产线，实现了由蔗糖—乳酸—丙交酯—PLA的全产业链生产。

国内方面，截至2021年底，我国PLA的产能约为13万吨/年，详见表2[18]。国内虽然上游玉米、秸秆资源储备丰富，淀粉、淀粉糖和乳酸的产能位居世界前列，但丙交酯的发展起步较晚，与国外差距较大，且在技术方面，尤其是工程化、规模化以及生产成本方面仍存在较多瓶颈问题，因此产业化过程较为艰难。浙江海正生物材料有限公司与中国科学院长春应用化学研究所于2000年开始合作，2008年建成国内首条PLA中试生产线，现有4.5万吨/年的PLA生产能力，且有一条年产15万吨的生产线正在建设中，产品范围涵盖挤片、注塑、吸塑、纺丝、双向拉伸膜、吹膜等不同加工用途。安徽丰原集团有限公司现有5万吨/年的PLA生产线，在建产能为30万吨/年，产品涵盖了从乳酸、丙交酯、PLA纤维、粒料等原材料和PLA制衣物、水杯、一次性塑料制品等各类产品。此外，恒天集团已建造丙交酯-PLA纤维生产线，年产能约为1万吨；中粮集团在吉林建造的生产线，其年产能约为1万吨。2018年，荷兰Synbra在中国建造了一条0.5万吨级的发泡PLA(BioFoamTM)生产线，生产代替基于发泡聚苯乙烯

表2 国内外PLA生产企业及产能情况

的泡沫产品。其他已安装的PLA生产设施基本为小型试验工厂，大部分被用于测试工艺技术和评价可行性[19, 20]。

从发展前景来看，PLA行业的龙头预计近2年内仍是Natureworks公司，其在美国内布拉斯加的主工厂就有15万吨/年的PLA产能，其泰国的生产线也即将动工建设，且美国目前是民主党执政，其推行的环保政策对Natureworks公司有重大利好，因此预计Natureworks公司将继续巩固PLA行业的龙头地位。而Total-Corbion公司背靠欧盟27个成员国的庞大市场，且有欧盟环保政策支持(欧盟主要成员国如法国、德国等国政府对生物降解塑料和可堆肥塑料有部分豁免)，预计仍会紧随Natureworks公司成为PLA行业全球第二大生产商。其他国外企业的生产线规模较小，无论是价格或质量均不能与这2家企业相提并论，预计在未来会逐渐消亡或被这2家合并。

国内方面，安徽丰原集团手握全国唯一一条淀粉—乳酸—丙交酯—PLA全产业链，无论是上游的乳酸、丙交酯、PLA原料还是下游的PLA各项应用，丰原集团都具有相当大的优势。且根据调研，丰原在2021年下半年达到10万吨PLA和18万吨乳酸的年产能，因此丰原将进一步巩固在国内的领先地位；浙江海正集团则是拥有丙交酯—PLA生产线，且在PLA下游应用方面颇有建树，预计也将有大的发展；河南金丹乳酸科技公司则是全国排行前列的乳酸/乳酸盐生产商，在乳酸生产方面有自己独特的优势，这为其发展PLA产业提供了很大的助力；吉林中粮生化有限公司则是准备进一步扩大产能，在2021年9月宣布将投资年产3万吨丙交酯的生产线，在“碳达峰”、“碳中和”政策的加持以及中粮集团的支持下，吉林中粮生化有限公司预计也将迎来大发展。

3.2 PHA

根据统计(图1)，目前全球PHA产能约为3.6万吨。国内外生产PHA的主要企业及产能详见表3[18, 21]，包括日本Kaneka公司、德国Biomers公司、意大利Bio-On公司、宁波天安生物材料有限公司等；欧美地区的PHA厂商众多，在全球范围拥有巨大的市场。

目前PHA的主要产品为短链PHA，例如PHB、聚 3-羟基丁酸酯(P3HB)和聚羟基戊酸酯(PHV)等。清华大学陈国强作为国内PHA领域的领军人，其课题组在PHA功能化设计和工业化生产等方面取得了一系列成就[22, 23]：培养了可大幅增加己烯酸转化率且提升PHA性能的嗜盐细菌[24]，开发了新型PHA可注射载体[25]，利用现代基因工程技术，在世界上首次实现了基因工程菌生产聚β-羟基丁酸(β-PHB)和3-羟基丁酸与3-羟基己酸的共聚酯(PHBHHx)，使我国的PHA产业化技术达到世界领先水平[26]。与此同时，陈国强课题组与北京蓝晶微生物科技有限公司及中化国际轻量化材料事业部签署

表3 国内外PHA生产企业及产能情况

合作协议，使用价格低廉的海水作为底物，实现PHA的产业化，有望实现低成本的生产技术。

从发展前景来看，意大利的Bio-On公司和美国Danimer Scientific公司最有可能成为PHA行业的领军企业，Bio-On公司自身实力强大，其在意大利博洛尼亚地区的PHA是全欧第一家供应化妆品行业的PHA工厂。且意大利的禁限塑政策也对Bio-On的发展有利(意大利政府宣布完全豁免生物降解塑料在意大利的生产及应用)；美国Novomer公司在2021年4月宣布成功实现了低成本生产高性能PHA的技术，其日前刚被全球生物可降解材料巨头Danimer Scientific公司以1.52亿美元的价格收购，Danimer Scientific在美国肯塔基州的工厂年产0.9万吨PHA，根据其发展规划，在2023年该公司的PHA产能将达到3.0万吨/年。国内方面，宁波天安生物材料有限公司和北京蓝晶微生物科技有限公司的发展潜力相对更大，两家企业均与陈国强教授合作多年，手握PHA的先进生产技术，有望将PHA的价格在保证质量的前提下大幅降低(目前PHA价格每吨5.5～5.8万元)，从而进一步扩大PHA在国内的市场。

3.3 二元酸二元醇共聚酯

目前全球二元酸二元醇共聚酯(PBAT、PBS、聚丁二酸-己二酸丁二酯(poly(butylene succinate-co-butylene adipate)，PBSA))的生产能力已超40万吨/年，国内外主要生产企业及产能情况见表4[18, 27, 28]。PBS及PBSA虽开发较早，但受其自身性能限制，市场占有量较小，目前全球二元酸二元醇共聚酯的生产都以PBAT为主。PBAT因其具有高韧性，在各类薄膜制品的生产中用量较大。

国外主要的二元酸二元醇共聚酯生产企业有日本昭

表4 国内外二元酸二元醇共聚酯生产企业及产能情况

和高分子公司、三菱树脂株式会社、韩国SK化学公司、日本三菱化学等，各国争相提升技术与产品性能，德国巴斯夫(BASF)公司推出了完全可降解PBAT产品Ecoflex，还可以将其与淀粉进行共混，提升性能。

我国二元酸二元醇共聚酯产能已超过20万吨/年，目前主要的生产商有珠海万通化工有限公司/广州金发科技股份有限公司、新疆蓝山屯河化工股份有限公司等，此外，一些大集团公司，如中国蓝星(集团)股份有限公司、南通星辰合成材料有限公司、万华化学集团股份有限公司等也正在积极建设PBAT的生产线。可以预测，2年之内，国内二元酸二元醇共聚酯的年产能将超过百万吨。

从发展前景来看，目前德国BASF公司在中高端二元酸二元醇共聚酯产品中的地位暂时不可撼动。作为全球最大的化工企业，BASF公司在二元酸二元醇共聚酯领域已深耕40多年，手握专利数量不计其数，且BASF公司掌握着PBAT和PBS的全产业链技术及配套设施，在全球各大经济体都有工厂和研发中心，这在各国开始出现贸易壁垒的今天是一个极为强大的武器；意大利Novamont公司也是值得被看好的企业，不仅有意大利政府的支持，自身实力也非常强大。而且新入场生产或准备扩大生产规模的企业非常多，包括LG化学、雪佛龙公司、杜邦公司、陶氏化学等都是全球化工巨头，因此二元酸二元醇共聚酯行业在未来可能将会有更多企业进入，而一些生产规模较小的企业则可能会被淘汰。

国内方面，金发科技、蓝山屯河、恒力新材料和金辉兆隆等企业作为国内老牌二元酸二元醇共聚酯供应商，均发布了扩大PBAT/PBS生产线的计划，在国内大力发展生物降解塑料的环境下将会进一步发展，此外还有大量企业进场生产PBAT或PBS，除了中国石化和中国石油以外，如新疆美克化工有限公司(PBAT，6万吨/年)、中化东华天业新材料有限公司(PBAT，50万吨/年)、河南开祥精细化工有限公司(PBT，10万吨/年)、中科启程新材料科技有限公司(PBS和PBAT，50万吨/年)等企业纷纷宣布了自己的计划，预备投身于二元酸二元醇共聚酯产业中。

3.4 其他生物降解塑料

除PLA、二元酸二元醇共聚酯、PHA和淀粉基塑料以外，其他类型的生物降解塑料受限于成本问题和产业化规模，产能较少。2020年其他生物降解塑料占全球生物降解塑料产能仅为2.38%(图1)，具体数据如表5所示。

目前国际上PPC的主要生产商有意大利Caffaro公司、澳大利亚Cardia Bioplastics公司、美国Empower Materials公司等。国内的主要生产商为吉林博大东方新材料有限公司、河南天冠集团有限公司、江苏中科金龙化工股份有限公司等。从未来的发展前景来看，意大利Caffaro公司和美国Empower Materials公司会有好的发展。而国内方面，吉林博大东方新材料有限公司和江苏中科金龙化工股份有限公司的发展前景更被看好。

PCL，国外生产公司主要是德国BASF公司和瑞典Perstorp公司，国内的生产企业主要有湖南聚仁化工新材料科技有限公司、深圳光华伟业股份有限公司等。其中BASF公司正在进一步扩大PCL的产能，预计将占据更大的市场份额。

PGA，主要是上海浦景化工技术股份有限公司与中国神华煤制油化工有限公司进行股权合作，2018年在内蒙古开始建设万吨级PGA生产线项目。中国石化在贵州新规划了可年产50万吨的PGA生产线，并且在2021年9月8日宣布一期工程在贵州织金县开工，建成后可年产20万吨PGA。

表5 其他生物降解塑料的国内外生产企业及产能情况

PPDO，早在20世纪70年代PPDO就已被美国Ethicon公司成功用于制备可降解手术缝合线。国内的PPDO规模化生产还处于起步阶段，目前仅在四川大学有一条中试生产线，尚未形成规模化生产。

3.5 共混类生物降解塑料

生物降解塑料在单独使用时，存在或多或少的缺点，因此通过共混其他生物降解塑料可以有效改善其性能。目前主要是以PBAT和PLA共混、淀粉热塑化后与PBAT等材料共混，PLA与滑石粉、碳酸钙等无机材料共混为主来制备塑料制品。

PBAT自身具有优良的力学性能和热力学性能，在引入相容剂后能够有效对各类生物降解塑料进行增韧，因此PBAT经常与其他生物降解塑料复配使用。例如，PLA较硬且脆，将PBAT与PLA共混不仅能改善PLA质脆、结晶速率慢的弱点，而且还能提高其韧性和耐热性[29, 30]。Nofar等[31]利用双螺杆挤出机制备PLA/PBAT/纳米粘土的共混纳米复合材料并研究聚合物结晶对材料形态演变和延展性的影响。结果表明，在质量比为75/25的PLA/PBAT共混物中，PLA结晶能力会得到增强，从而使得共混物的微观形貌更加均匀，而材料的延展性从5%显著增加到约205%。

淀粉与各类生物降解塑料的共混树脂的应用范围非常广阔。国外的主要厂商有意大利Novamont公司、美国Air Product & Chemical公司、德国FKuR Kunststoff公司、德国BeoPlast公司、日本Corn Starch公司等。我国淀粉基塑料的研究和生产方面的起步较晚，但发展迅猛，在一次性餐具、包装薄膜、垃圾袋等生活消费品领域都有广泛应用，目前的年产能已超过80万吨，典型公司有武汉华丽生物材料有限公司、江苏龙骏环保实业发展有限公司、深圳虹彩新材料科技有限公司、苏州汉丰新材料股份有限公司等。

从发展前景来看，Novamont公司的潜力更大。一方面Novamont是老牌化工企业，其产品早已畅销全球，自身技术储备深厚；另一方面有着意大利政府的鼎立支持以及欧盟成员国的大市场，Novamont的发展势头还会有所增长。国内方面，武汉华丽生物材料有限公司目前正在逐步扩张产能，其淀粉基共混生物降解塑料产能已达6万吨/年，江苏龙骏环保实业发展有限公司也在布局新时期的发展路线，扩大产能。

3.6 国内外生物降解塑料产业的差距

随着国内禁限塑令的全面推行，国内的生物降解塑料产业发展迅猛，但我国生物降解塑料产业对比国外尚有较大差距。以PLA为例，目前国内PLA产业最大的问题就是无法做到完全自给，包括中间体丙交酯、高光度纯L-乳酸以及乳酸菌种都需要大量外购。以乳酸菌种为例，全球60%的乳酸菌种产量来自于荷兰CSM集团下属的Purac公司，国内除了安徽丰原集团拥有PLA全产业链以及浙江海正集团拥有除乳酸以外的PLA产业链，其他企业都只能做到从丙交酯—PLA这一生产环节。国内PLA产业的起步晚，导致国内PLA产业链不完整，多个关键环节受制于人。中国的PLA产业为达到国际先进水平需要更多的努力。

4 生物降解塑料的应用

根据应用领域来划分，生物降解塑料目前主要用途有日用塑料制品、包装、纺织纤维、农林渔牧用制品、汽车、增材制造、电子电器等，具体见表6[18]。

表6 生物降解塑料主要应用领域、用途及处置方式

4.1 纺织纤维

在生物基纤维的生产及使用领域，我国处于技术领先的地位[32, 33]。以PLA纤维为例，目前国内PLA纤维产能约为1.5万吨/年。PLA纤维兼具了天然纤维和合成纤维的优点，具有芯吸性优异、回弹性好、垂坠性强、舒适度高等特点，在服装领域很受欢迎(图2)。

PLA纤维还在医疗领域有应用，例如人造血管、载药电纺纤维用于伤口愈合材料[34]。

4.2 日用膜、袋

生物降解塑料目前在生活垃圾袋、塑料购物袋、日用塑料袋等方面已开始规模化应用，在生鲜包装薄膜上也有应用。

图2 PLA纤维服装照片Fig.2 Digital photo of PLA-fiber cloth

在国内，2016年，菜鸟“绿动计划”推出可生物降解的快递袋，并已在淘宝和天猫的商家中开始使用(图3a)；京东启动青流计划，在生鲜业务上使用生物降解包装袋，占其塑料包装材料用量的比例约5%(图3b)。

在国外，可生物降解薄膜袋的应用在欧盟成员国地区(如德国、奥地利、法国、意大利)得到了大力推广。在德国，几乎所有的零售连锁店都会为顾客提供可生物降解的玉米或马铃薯淀粉塑料袋(图3c)，甚至一些市政部门也为公众提供利用生物降解塑料覆膜的纸制垃圾袋和生物降解塑料袋。

图3 菜鸟物流100%全生物降解快递袋(a),京东生物降解包装袋(b),德国一家超市为顾客提供的可生物降解塑料袋(c)Fig.3 Cainiao Logistics 100% biodegradable express bag (a), Jingdong biodegradable packaging bag (b), a biodegradable plastic bag provided by a German supermarket for customers (c)

4.3 片材及其热成型制品

塑料片(板)材的用途很广，可用于制作容器、储罐、垫板、电绝缘材料。在汽车等交通工具上大量使用的装饰板、防滑垫等，在食品工业、医疗工业中用无毒的塑料片材作为包装。在工业、商业、建筑业等领域，各类塑料片材制品也得到了广泛的应用。在世界各国开始推行限塑令后，一部分加工性能优异的生物降解塑料也被用于片材制品的制造。以PLA为例，PLA挤出片材经热成型加工后，在生鲜、色拉、食品等包装上得到了应用，例如水果包装盒、鸡蛋盒和餐盒(图4a)，其目前已在欧洲、日本和国内市场占据了一定的份额。无拉伸的PLA片材在改良了耐屈曲性等缺点后还可被用于制作各类塑料卡片等(图4b)。

4.4 农林渔牧用制品

生物降解塑料制品在农林渔牧方面的应用已经非常广泛(图5)。以地膜为例，目前我国生物降解地膜在各省市年示范用量已超过30万亩，覆盖作物有马铃薯、甜菜、花生、水稻、西红柿等，效果与传统地膜并无差别[35]。由于降解时间较短，针对棉花等收获周期较长的作物，生物降解地膜的应用还有待进一步开发。

其他的一些农资物品如捆绑绳(用于捆绑稻草或干草)、农药微胶囊(用于控制农药或化肥的施放)[36, 37]、育苗钵、盘、盆、PLA沙袋沙障、沙柳沙障和芦苇沙障等防风固沙产品[38, 39]中，生物降解塑料的应用也比较普遍。

此外，生物降解塑料在渔网渔具等产品生产上也有应用，荷兰的一家企业正在开发可用于渔网的可降解纤维绳(图5d)，预备在欧盟市场上投放。

图5 全生物降解地膜(a)；生物降解捆绑绳(b)；PLA肥料缓释胶囊的释放过程(c)；生物降解纤维绳，可用于渔网的制造(d)Fig.5 Biodegradable mulch (a); biodegradable binding rope (b); release process of PLA fertilizer slow-release capsule (c); biodegradable fiber rope, which can be used to make fishnets (d)

4.5 汽车工业制品

在传统的认知中，常被用于制备一次性塑料制品的生物降解塑料似乎与汽车工业制品没有什么联系。但随着环保理念的不断扩散，各大汽车公司开始尝试利用生物降解塑料制备汽车制品，如汽车内饰、车载电器外壳等。随着生物降解塑料性能的不断提升，工业界开始利用生物降解塑料与各类高性能纳米增强材料复合，制备具有高性能、可生物降解的纳米复合材料，并将其用于汽车零部件生产。以PLA为例，PLA与其他高性能纤维或材料进行复合后，除了具有良好的生物降解性外，还具有不亚于传统复合材料的高力学性能以及其它性能，可以替代部分传统改性塑料应用于汽车零部件的制造，从而使汽车的生产更加环保。

日本三菱尼龙公司通过其子公司MRC宝纶公司生产销售一种PLA/PP复合材料，2009年开始在丰田汽车第3代新型混合动力车上使用。日本东丽工业公司生产的环保型聚乳酸纤维材料，在2009年已经为丰田汽车公司的混合动力轿车HS 250h提供车身和车内地板覆盖物、车内天花板和车门装饰装潢材料(图6a)。荷兰埃因霍温大学设计的全环保材料汽车“Noah”，汽车外壳和部分的结构元件是利用Total-Corbin集团生产的PLA纤维制备的(图6b)[40]。

在航空工业，生物降解塑料也有相应的应用。美国旧金山Otherlab工程研发实验室开发了一种先进的廉价滑翔机，机身由一种名为菌丝体(mycelium)的纤维材料制成，其可在几天时间内降解，滑翔机还可以使用内置的现成电子设备(GPS、自动驾驶仪、小型伺服机构和一次性电池)自动驾驶(图7)。目前该实验室已经使用纸板制成了原型机，预计在未来将交付美国军方使用，用于执行人道主义任务[41]。

图7 美国Otherlab实验室开发的滑翔机原型机(a)，Otherlab实验室所开发的无人机使用范围，用C-17运输机投放滑翔机，可覆盖整个加利福尼亚(b)[41]Fig.7 The glider prototype developed by the Otherlab laboratory (a)， the expected use range of the drone manufactured by Otherlab laboratory, using the C-17 transport plane to launch the glider, can cover the entire California (b)[41]

4.6 泡沫制品

PLA发泡塑料目前已用于生鲜、蔬菜等的包装托盘、箱，淀粉基塑料和PLA的泡沫缓冲材料在电气电子机器、精密机械的包装中也得到了应用(图8a和8b)。PLA泡沫塑料和PHB发泡塑料在欧洲被用于花卉底座(用于插花的底座)的制备(图8c)。目前在德国销售的可生物降解花香泡沫均已获得德国技术监督协会(奥地利)认证(TUV Austria)和德国标准化学会认证中心认证(DIN CERTO)的相关证书。

图8 淀粉基发泡缓冲塑料(a),PLA发泡餐盒(b),PLA花卉底座(c)Fig.8 Starch-based foamed cushioning plastic (a), PLA foamed lunch box (b), PLA flower base (c)

4.7 3D打印材料

3D打印材料种类繁多，在塑料类中，主要有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)、PLA、聚酰胺塑料(PA)、PCL等。根据公开资料，PLA和ABS占据了大部分消费级3D打印材料的市场份额。由于PLA无特殊气味，易于加工塑形，更受消费者青睐。PLA及其共混改性后的复合材料已被用于3D打印线材，如深圳市eSun新材料有限公司推出的eBamboo便是PLA与木质纤维共混改性而成(图9a)。PLA还被应用于医用3D打印，如PLA与羟基磷灰石(HA)共混制备的3D打印PLA-HA材料，可用于骨组织工程支架[42]。PCL因其熔点低，不需很高的打印温度，被主要用于熔融沉积成型(FDM)打印机以及打印笔(图9b)，制造心脏支架、新型组织工程支架[43, 44]。

图9 深圳市eSun新材料有限公司推出的eBamboo 3D打印耗材(a),PCL制3D打印耗材(b)Fig.9 Photos of eBamboo 3D-printing consumables (a) and 3D-printing consumables made by PCL (b) desigined by eSun Shenzhen

4.8 国内外生物降解塑料应用的差异

根据调研，在一次性塑料产品方面，国内外的应用领域大体一致(如一次性餐饮具、一次性塑料袋、一次性吸管等)，此外，欧盟部分成员国开始在渔具、过滤烟嘴等产品上大力推行生物降解塑料。2020年英法联合推行了一个项目，通过开发可生物降解塑料制备的渔网减少英吉利海峡中的塑料污染，该项目预计持续3年零9个月，预算为430万欧元，由法国布列塔尼大学领导10家机构进行研发(图10)[45]。

图10 英吉利海峡中的废弃渔网照片，英法已准备大批预算开发新型生物降解塑料制渔网代替传统渔网[45]Fig.10 Discarded fishing nets in the English Channel, Britain and France have prepared a large budget to develop new biodegradable plastic fishing nets to replace traditional fishing nets[45]

然而，其他产品，尤其是高端产品，国内外的差距比较明显。在第4.5小节中，日本丰田汽车公司和三菱汽车公司都已经开发了新型生物降解塑料制汽车内饰，用于下一代新能源汽车，而国内方面，目前只有中国台湾的台湾车辆研发联盟(Taiwan Automotive Research Consortium，TARC)研发了一款两座式电动车，该款电动车的车身及内饰均由PLA制成，但车门除外，出于安全考虑，车门采用钢板制成。

5 生物降解塑料生命周期评估

在评价某种材料是否为绿色材料时，一般会使用全生命周期评估法(life cycle assessment，LCA)对其全生命过程各环节的能耗及碳排放进行评估。根据文献调研，主要生物降解塑料的非可再生能源能耗和CO2综合排放如图11和图12所示[46-54]。

图11 高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、生物基聚乙烯(Bio-PE)、PLA、PHA、PBAT、PPC在全生命周期中所消耗的非可再生能源(包括原油、原煤、天然气等)Fig.11 Non-renewable energy (including crude oil, raw coal, Natural gas, etc.) consumption of high-density polyethylene (HDPE), low-density polyethylene (LDPE), bio-based polyethylene (Bio-PE), PLA, PHA, PBAT, PPC during their life cycle

图12 高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、生物基聚乙烯(Bio-PE)、PLA、PHA、PBAT、PPC在全生命周期中产生的温室气体排放Fig.12 Greenhouse gas emission of high-density polyethylene (HDPE), low-density polyethylene (LDPE), bio-based polyethylene (Bio-PE), PLA, PHA, PBAT, PPC during their life cycle

可以看到，PLA和PHA无论是在能耗还是排放方面均明显低于传统塑料乃至其他石化基生物降解塑料。需要注意的是，生物基聚乙烯虽然不可降解，但其能耗和排放也要低于传统塑料和石化基降解塑料，证明了使用生物质资源进行塑料制备对节能减排的重要性。这是因为生物质原料(如玉米、甘蔗等)生长过程中所吸收和固定的碳足以抵消大部分该类塑料在生产流程中所产生的碳排放。

石化基降解塑料(如PBAT、PPC)在制造过程中所消耗的非可再生能源超过了传统塑料，但这是因为其原料获取过程所消耗的能源较多。以PBAT为例，合成PBAT所需的原料对苯二甲酸(AA)、1,4-丁二醇(BDO)和己二酸(PTA)的生产能耗分别为55.3，26.3和90.2 MJ/kg，但需要注意的是，BDO和AA都可以利用煤炭进行生产，综合测算1 kg的PBAT所消耗的化石资源为3.15 kg原油+1.5 kg煤，远低于聚乙烯(6 kg原油/kg聚乙烯)。此外，其生物降解性使得PBAT自身所含的碳有很大一部分进入了土壤变成可以进入碳循环的生物碳，排放到空气中的CO2含量极低(40 d碳排放量不足PBAT自身含碳量的15%)[55, 56]，相较于传统塑料更有利于降低碳排放。因此，在进行综合能耗的评估时，如果产品在给料阶段中所产生的碳，在产品降解后能够变成生物碳并进入碳循环，那么这部分需要换算成能耗扣除。综上，经过测算，各主要生物降解塑料的综合能耗如表7所示[57, 58]。

表7 各主要降解塑料的综合能耗[57, 58]

6 国内外相关政策

6.1 世界各国对一次性塑料制品的禁限政策

近年来，世界各国纷纷制定相关法律法规，禁止和限制使用难以回收和污染的一次性塑料产品，详见表8[18]。

表8 世界各国禁止、限制一次性塑料制品政策

续表

6.2 国内的相关政策

2007年，国务院办公厅颁布了《国务院办公厅关于限制生产销售使用塑料购物袋的通知》，正式揭开了我国禁限塑工作的序幕。2008年5月15日，中华人民共和国商务部、发展和改革委员会、工商总局响应国务院办公厅号召，联合公布了《商品零售场所塑料购物袋有偿使用管理办法》，明确了我国商品零售场所(指提供零售服务的类超市、商场、集贸市场)应当依据该办法向消费者有偿提供塑料购物袋。2020年1月16日，国家发展和改革委员会、生态环境部发布了《关于进一步加强塑料污染治理的意见》，明确了国家“禁止生产、销售厚度小于0.025 mm的超薄塑料购物袋、厚度小于0.01 mm的聚乙烯农用地膜、以医疗废物为原料制造的塑料制品、一次性发泡塑料餐具、一次性塑料棉签、含塑料微珠的日化产品”；并以2020年底、2022年底和2025年底为关键时间节点，分地区、分阶段逐步实现包括“不可降解塑料袋、一次性塑料餐具、宾馆酒店一次性塑料用品、快递塑料包装品”在内的塑料产品的“禁止、限制使用”。除上述具体目标外，该意见还提出推广应用替代产品和模式、规范塑料废弃物回收利用和处置、完善支撑保障体系、强化组织实施等具体要求。2021年5月18日，国家和发展改革委员会环资司印发了《污染治理和节能减碳中央预算内投资专项管理办法》，在附件3的《重点支持内容》中提到将支持可降解塑料项目的发展，进一步推动了生物降解塑料行业的发展态势。考虑到塑料污染治理意见、“两碳”政策的影响，生物降解塑料的应用和需求也会越来越大，行业的未来是完全可以期待的。

6.3 国内外政策的区别

全球范围内，我国的禁限塑政策从数量和执行力度上均可以算作第1梯队，其深度和广度都不弱于欧美发达国家。对全球主要经济体(欧盟、中国、美国、英国、日本、俄罗斯、韩国、印度)的禁限塑政策层次进行比对，具体如下：

(1)欧盟：已完成欧盟层次上的立法(Directive on Single-Use Plastics，文件号：EU2019/904，简称SUPD)且该指令已于2021年7月3日生效，但在欧盟27个成员国中尚未全部通过，具体实施情况也有所不同(具体见附件1)。

(2)中国：已完成国家层面上的立法(《关于进一步加强塑料污染治理的意见》)，各省、自治区和直辖市也推出了相应的禁限塑法规。

(3)美国：尚无联邦层面的禁限塑法案，仅有部分州有相应的禁限塑法案(详见附件1)。

(4)英国：英国脱欧后，禁限塑政策仍大体延续当初欧盟的相关法案(《包装和包装废物指令》、《废弃物框架指令》)，但未遵守SUPD的要求，英国政府正在筹备相关法案(详见附件1)。

(5)日本：日本在国家层面的禁限塑政策已完成。

(6)俄罗斯：已完成国家层面的限塑立法(第89-FZ号联邦法律、第 3722-r号法令)，尚无针对一次性塑料制品的法律或行政指令。

(7)印度：已完成国家层面的立法，但以印度政府的能力，能否将政策推向全国尚存疑问。

综上，可以看到我国在禁限塑政策的推行力度上位于世界前列，法案详细程度完全可以与欧盟日本等国相媲美。

7 结语

我国关于塑料污染治理的原则，是以减量化、可循环、可回收、易回收、可降解为指导，开发和推广符合性能标准、绿色环保、经济适用的塑料制品和替代产品，从产业政策角度看，我国的生物降解塑料行业得到了稳步发展。目前国内的PLA、PBAT已经规模化生产和应用，并且还有大批生产线正在建设或计划建设中，PHA、PCL、PPC等生物降解塑料的产能、应用量和应用领域也在不断扩大。我国在一系列绿色生产和消费领域出台了大批法律法规和相关措施，大力推动绿色、循环、低碳发展，在塑料污染治理和绿色循环经济发展上已取得了显著成效。相信随着国内外更多政策的逐步出台、实施和完善，人们有关节约资源、保护环境的生产生活方式形成，国内生物降解塑料技术创新、检测评价和标准体系日趋完善，生物降解塑料产业将得到快速发展，应用领域也更加广泛。