何為真正的生物降解材料？以及它的應用如何

生物降解大家經常聽到，這個概念會受關注，我想是因為人們迫切希望找到一條解決塑料汙染的路徑，而生物降解似乎是一條大家都比較認同的路徑。
但是迭代到現在，到底什麼才是生物降解材料，怎樣才能讓這個材料及其製成的產品能為解決塑料汙染提供些幫助？今天就帶大家來了解一下降解塑料。
01丨可堆肥生物降解材料
真正的生物降解材料必須是可堆肥的。那些在太陽光作用下，通過風吹日曬雨淋就能實現降解的，不是真正的生物降解材料。

從定義上講，真正的降解材料必須是在堆肥條件下，通過微生物作用，180天內完全轉化成二氧化碳和水的材料。這個180天是人為規定的，為什麼要半年？因為它需要跟廚餘一起處理。三百天五百天處理難度較大，所以人為做出這個規定。實際上根據材料厚度的不同，堆肥降解時間也會不一樣。如果是塑料薄膜，三五十天就可以完全降解，如果做成比較厚的注塑產品，可能真的需要180天，甚至還不夠。
可堆肥的生物降解材料分為兩類，一類是生物基的可堆肥材料，另一類是石油基的可堆肥材料。生物基可堆肥材料又分為直接來自植物的材料，比如說來自於紙漿、聚乳酸（PLA）、脂肪族聚酯（PHA），以及天然物質與上述兩類聚合物的共混物等。石油基的可堆肥材料，來源於石油，比如聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）、聚乙二醇（PCL）等等。
可堆肥生物降解材料也存在缺陷，因為它對堆肥設施有依賴，適宜的條件是60℃（40℃-80℃都可以），90%濕度的條件下才能迅速降解。但在自然環境下，盡管仍然能完全降解，但至少需要數年時間。在低溫、幹旱或微生物不活躍的條件下，降解時間則需要更長。比如在北極，埋幾十年甚至500年我估計都在，當然我沒埋過，隻是主觀臆斷的。

光降解和破壞性生物降解材料並不是我們所需求的，那哪種生物降解材料是比較成熟，更適合進入市場的呢？我給大家介紹一種運用比較廣泛的生物基生物降解材料，叫做聚乳酸。
02丨可堆肥生物降解材料的應用
可堆肥材料在歐美一些國家政府，已經得到廣泛的認可。比如美國加州、紐約州、西雅圖、舊金山，可堆肥材料已經是成功落實零廢棄項目的一個重要途徑。加利福尼亞州法律（SB-567）還禁止「銷售帶有生物可降解、可降解或可分解標簽的塑料包裝和塑料產品」，以避免誤解或堆市場有意的誤導。
可堆肥塑料的使用使生物廢棄物的單獨回收變得更有價值，幫助轉化更多有機廢棄物，不被填埋。在歐洲一些國家，比如荷蘭、德國這些堆肥設施比較完善的國家也已經立法，規定廚餘垃圾必須進行堆肥處理。據我了解，在德國有400多個堆肥場，他們推行可堆肥塑料是完全可行的。
在東方大國，堆肥仍然處於萌芽，或者說還處於爭論階段。像一線城市一天有四萬噸垃圾的大城市，堆肥場沒幾個。所以要讓生物降解材料進行堆肥的大前提，首先是要解決廚餘垃圾堆肥問題。簡單來說就是讓可堆肥材料跟廚餘垃圾一起進行堆肥處理，而不是單獨為可堆肥材料設計一套係統。可堆肥隻是為了解決廚餘垃圾問題，比如說外賣餐盒，你吃外賣吃到一半，裏麵有剩菜剩飯，如果餐盒是可堆肥的，就可以將這些剩菜剩飯和餐盒一起扔到廚餘垃圾處理裝置裏共同堆肥。
但這還很遙遠。一定程度上來講，食品安全問題尚且沒解決，廚餘垃圾處理還有很長的路要走。
03丨聚乳酸的發展機遇及其特性
聚乳酸是以乳酸為原料聚合得到的聚合物，乳酸的原料來自於玉米、木薯、蔗糖等農作物。聚乳酸產品廢棄後在堆肥環境下可100%生物降解，實現源於自然、歸於自然的生態碳循環，因此是理想的綠色高分子材料。
橙色部分代表的是全球塑料用量——五億噸，其中歐洲塑料用量大概一億噸，但全球的生物塑料產量僅為圖中右下角泛綠的那一點點。生物塑料還有30多個品種，聚乳酸隻占全球生物塑料的5%，也就是聚乳酸全年全球產能20萬噸。隻是一個星星之火，要替代這個量達五億噸的塑料遙遙無期。
但是有一項重要的政策改變了這個格局。2017年8月，國家頒布的《禁廢令》，導致全球主要發達國家的廢棄塑料短期無法處理。歐盟因此緊急頒布了塑料策略，宣布2022年之前禁止使用一次性非降解塑料製品。全球頒布類似政策的國家還有67個，這為生物降解材料帶來了巨大機遇。以我研究的聚乳酸行業為例，我們之前15年做得很辛苦，產能隻有15000噸，而且年年產能有剩餘。由於《禁廢令》，生物材料產能及市場突然間爆發。
聚乳酸是相對比較成熟，應用比較廣泛的全生物降解可堆肥塑料。這個材料除了生物降解特性之外，還有幾個不同的特點。
其中一個重要的特性是，聚乳酸是食品接觸安全性更高的材料。它的單體是乳酸，乳酸是一種食品添加劑，酸奶、化妝品或調味品裏麵都存在乳酸。它本身的安全性等級比用石油單體做出來的材料更安全。而且聚乳酸在六七十年代是醫用材料，用於手術縫合線、固定骨棒等，後來因為工藝突破，成本降低，才進入民用的行列。

其次，聚乳酸是生物基的材料，它來源於植物。其中較常用原料是玉米、木薯和蔗糖。將玉米、木薯等農作物提成澱粉，通過發酵變成乳酸，再通過化學聚合成為聚乳酸，是一種生物基原料比較明確的材料。
再次，聚乳酸材料的低碳性。所謂低碳，指的是二氧化碳消耗量或者釋放量相對較低的概念。比如某個材料，在它生產到消亡的整個生命周期，從單體、聚合、運輸、儲存到使用的整個過程中，吸收和排放二氧化碳總量合計起來，通過對比，如果它是塑料材料中二氧化碳排放總量相對較低的，我們稱之為低碳材料。

以聚乳酸為例，從玉米或木薯種植開始，到葡糖糖提取、乳酸發酵、聚乳酸聚合、一直到聚乳酸產品加工的過程中，二氧化碳排放總量的數據是，一公斤的聚乳酸膜所釋放的二氧化碳量大概是1.274公斤。做個對比，製作一公斤PET材料礦泉水瓶，要排放4公斤二氧化碳。製作一公斤PP材料洗發水瓶大概要排放2.5公斤。
聚乳酸材料的降解堆肥特性。在堆肥環境下，能夠百分百降解生成二氧化碳和水，不汙染環境。以江浙滬一帶為例，一般兩到五年可以降解，其他地方因氣候等因素而各有不同。在實驗室裏，我們有一些比較明確的數據，比如0.3毫米厚的聚乳酸片，六周之後肉眼看不到。當然看不到不等於降解，六周是不能完全降解，需要時間。
04丨聚乳酸的生物降解及其來源
我國生物降解性能是根據國標GBT20197-2006生物降解材料的定義、分類、標識及其測試方法測試，而國標則是參照美國ASTMD6400訂立。使用聚乳酸材料跟纖維素做對比，通過二氧化碳釋放曲線，來測它的生物降解率。
測定二氧化碳的方法則是依據ISO14855, 試驗中由於後續二氧化的釋放量較小，測試誤差比較大。所以一般測到105天，如果生物分解率超過60%，實驗就可以終止，會判定是屬於什麼材料。當然，會跟天然物質，比如木質素做對比。如果兩條曲線基本吻合，而且105天時又超過了60%，基本上判定是一類真正的可降解材料。
聚乳酸這一類可堆肥材料處理途徑就隻能進行堆肥嗎？如果沒有堆肥場，堆肥設施怎麼辦？實際上可堆肥材料除了堆肥處理，還有其他的處理方式，比如燃燒。跟塑料比，聚乳酸完全燃燒的產物是二氧化碳和水，不會汙染。也可以進行填埋，雖然降解速度比較慢，但至少不汙染地下水，不破壞植物生長，不浪費耕地。當然還有可以回收，不過回收的成本比較高。
在講到聚乳酸材料來源於木薯、玉米時，很多人會問：人類糧食都拿去做高分子材料了，會不會影響糧食安全呢？這個問題大家很關心，當然這樣想也是對的，如果我們真的沒東西吃，必然是事先保證糧食安全，不可能先去做高分子材料對不對。但是從客觀角度來講，這個擔心是多餘的，利用植物澱粉生產聚乳酸材料，並不會影響糧食產業。全球玉米產量是10億噸/年，其中80%用於飼料和燃料，做成燃料乙醇燒掉50%左右，飼料30%左右。用在糧食上大概僅有10%，約1億噸。假設PLA產量每年200萬噸，也就是消耗600萬噸的玉米，占0.6%。我們的糧食產量大量過剩。
05丨聚乳酸的應用
聚乳酸的應用，比較知名的是紙杯。紙杯裏有一層膜，傳統紙杯用的是PE膜，現在美國從西雅圖星巴克開始，已經將PE膜換成聚乳酸膜，而且杯蓋現在基本上用聚乳酸材料來做。

2018年吸管很火，全球都在去塑料吸管，聚乳酸吸管就可以用在這。比如說星巴克宣布2020年之前停售塑料吸管，國內的吸管大王就在做聚乳酸吸管。所以可堆肥材料主要是看跟什麼東西處理，跟傳統塑料一起處理肯定不行，跟廚餘一起處理就沒問題，跟紙一起處理也可以。
聚乳酸除了做一次性產品，也做一些其他產品，比如日用品，國內有個比較知名的品牌「穀的家」，就用聚乳酸做成日用品，做成日用品並不是為了降解，是利用聚乳酸材料高食品安全性。同時，聚乳酸材料有很高的強度，敲起來好像陶瓷一樣，以及高光亮性，比其他塑料亮很多。這類聚乳酸產品在國內市場上也可以隨便買到，運用的雖然不是其生物降解性，但用完數年，後來廢棄，比傳統塑料的危害肯定小很多的。
另外還有在3D打印耗材上麵的應用。圖片上展示的月球燈，就是用聚乳酸材料打印的，這類打印叫做FDM3D打印，它的耗材90%以上是聚乳酸材料。因為聚乳酸材料打印時不但沒有臭味，還有甜甜的香味。另外，它的尺寸穩定性很好，不容易變形，收縮率小。當然聚乳酸材料打印出來的模型廢棄了，也可以降解。
聚乳酸材料的應用還有可以用在纖維上，做絲巾、茶葉包裝、尿不濕、薄膜、窗口膜等不同用途。
06丨全球可堆肥相關標準及認證
像歐盟的認證標準是EN13432，那麼他認證機構呢，德國一個比利時一個，認證機構為AIB VINCOTTE和DIN-CERTCO。這兩個認證機構在全球有一定知名度，大家如果從事相關產業的話可以通過他的標準去認證。在國內，我們也有標準GB/T20197-2006，但是很可惜，我們沒有標識。美國的標準DSTMD640，認證機構BPI，日本的標準JIS K 6953。在澳洲、韓國都有，這裏不一一羅列。他們都有相關組織機構去認證。也就是說，根據相關標準去做實驗，實驗達標拿實驗報告去申請認證，認證通過才可以頒發證書。
認證費用挺高的，16500歐元，十幾萬人民幣。一般的小企業都很不願意去做，而且全球比較知名的一家是在德國，小企業覺得不方便。不過實驗室並非認證機構，國內也有實驗室，我們國家塑料製品檢驗中心可以做，但國內的實驗室，很多人不願意相信。
這種實驗室做一個實驗，要分不同的步驟：第yi步送去的樣品要分析它的化學成分，通過分析紅外光譜，檢測到底是什麼材料。比如送過去檢測的材料說是百分百聚乳酸，實際上在裏麵混了其他東西，化學成分一分析就知道。這個分析成本不高，700多歐元，大概六千多人民幣。
化學成分分析結束之後，第二步就是崩解實驗，也就是材料從大塊到小碎片的過程。這個過程一般進行三個月，材料要從10cm×10cm的大塊，變成至少3mm×3mm的小碎片，才能認定通過崩解實驗。
通過崩解實驗，會進行第三步的生物降解實驗。把那些3mm的小碎片通過微生物的作用，通過二氧化碳收集，分析它的生物降解率，測試材料跟纖維素比，多少天能夠達到多少生物分解率。這個實驗時間大概六個月左右。
即便生物降解檢驗做完符合要求，認定材料是百分百降解。仍然不能頒發證書，還要通過環境毒性實驗。降解最直接的還是對土壤的影響。如果降解殘留了有害物質在土壤中，那樣的降解毫無意義。所以，全球各種認證標準，又規定第四步叫做環境毒性實驗，就是驗證那些生物降解以後，對環境有沒有毒害。進行植物種植檢測，比如添加堆肥的和未添加堆肥的兩個土壤，各拿十組出來種不同的小青菜，看植物的生長情況到底有沒有影響。隻有在環境毒性這一關也過了，才能拿到認證。一般的光氧化降解塑料、破壞性生物降解塑料是絕對無法通過檢測，所以說這比較權威。
除此之外，一些生物基材料也不能隨便宣稱是生物基，因為生物基也是可以檢測的。生物基含量測試用到了同位素——碳元素半衰期的方法來測定生物質含量。碳14衰變成碳12，一般是5600年一個衰變，如果某個材料通過測試都是碳12，結果基本上就是化石碳。生物碳的測試標準，美國是ASTM D6866，例如測聚乳酸，一般你測試出來的報告一般是94%或者99%的生物基含量。實際檢驗結果隻要滿足在80%以上的生物基就是很高級別了。所以生物基也是有權威的標準和方法去驗證。



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