七种生物可降解材料-PBS(聚丁二酸丁二醇酯)

PBS(聚丁二酸丁二醇酯)

PBS类聚酯是以脂肪族二酸和二醇为原料,经缩聚反应合成的一类脂肪族聚酯,其代表PBS即以丁二酸和丁二醇为原料合成。20世纪90年代,日本的昭和高分子公司首先采用异氰酸酯作为扩链剂,与二酸二醇经缩聚反应合成的低分子量聚酯反应,制备出高分子量的聚合物,PBS类聚酯才开始作为新型生物降解塑料引起了广泛的关注。PBS由丁二酸和丁二醇经缩合聚合而成,树脂呈乳白色,无嗅无味,容易被自然界的多种微生物或动植物体内的酶分解、代谢,分解为二氧化和水,是典型的可完全生物降解聚合物材料。PBS具有良好的生物相容性和生物可吸收性,20世纪90年代进入材料研究领域,并迅速成为可广泛推广应用的通用型生物降解塑料研究热点材料之一,耐热性能好,热变形温度和制品使用温度可以超过100℃。其合成原料来源既可以是石油资源,也可以通过生物资源发酵得到,PBS成为最具有产业化前景的通用型降解塑料之一。

在可完全生物降解的聚酯材料中,PBS因其卓越性能成为具有产业化前景的可完全生物降解塑料,主要体现在以下5个方面:

1、PBS类聚酯具有很好的综合性能。PBS类聚酯不仅在力学性能上可以满足通用塑料的使用要求,而且PBS类聚酯只有在堆肥等接触微生物的条件下才降解,在正常储存和使用过程中性能非常稳定。

2、PBS的加工性能非常好,可在通用加工设备上进行各类成型加工,是目前通用型降解塑料中加工性能很好的,这一点对降解塑料的应用是至关重要的。PBS优异的加工性能使得其加工包容性强,与淀粉、碳酸钙等共混以实现成本降低的同时仍能保持较好的材料性能。

3、PBS系列聚酯具有出色的耐热性能。PBS是完全可生物降解聚酯中耐热性能最好的品种,热变形温度接近100℃,改性后可超过100℃,满足日常用品的耐热需求,可用于制备冷热饮包装和餐盒。这一点相比PLA有优势,PLA的加工稳定性和产品的耐热性不是很理想。

4、PBS类聚酯具有价格优势。它以脂肪族二元酸、二元醇为主要原料,规模生产后,价格可以达到PET聚酯的水平。相关原料还可通过奶酪制造中的副产物乳清,天然多糖葡萄糖、果糖、乳糖、麦芽糖、甘露糖醇、甘露糖、蔗糖、木糖和纤维素二糖等自然产物通过生物发酵途径生产出的丁二酸、丁二醇,不仅可以实现来自自然并回归自然的绿色循环生产,而且采用生物发酵工艺生产的原料,还可大幅度地降低原料成本,从而进一步降低PBS成本。

5、PBS类聚酯生产设备已经国产化。PBS聚酯可通过对PET、PBT聚酯设备略作改造进行生产,目前我国聚酯设备生产能力严重过剩,改造生产PBS为过剩的聚酯设备提供了新的机遇。

PBS的应用

PBS类聚酯用途极为广泛。它可以用于包装领域,如包装薄膜、餐盒、化妆品瓶及药品瓶、电子器件包装等;还可用于一次性器具,如一次性餐饮用具、一次性医疗用品等;另外,它还可以被用于农用领域,如农用薄膜、农药及化肥缓释材料等;它还可以用于医用领域,如生物医用高分子材料。

PBS的产业化进程

日本昭和高分子公司于1993年建成3000吨/年PBS及其共聚物生产装置,采用扩链法生产,成功开启PBS商业化进程。巴斯夫自1998年开始推出完全可降解聚酯PBAT,已具备7.4万吨/年产能。中国PBS产业化起步相对较晚,从2006年开始截止目前我国多家企业先后建成和在建的PBS项目规模已突破百万吨,目前中国PBS产业化发展已初步成熟,未来发展可期。

如果仔细阅读过我之前写的“政策加码的千亿市场4”这篇文章,里面详细描述了PLA的降解原因,就会发现PBS跟PLA一样只有在堆肥等接触微生物的条件下才降解。那么把PBS与PHA这种可完全自然降解的材料进行对比就没有意义,这里仅仅对PBS与PLA进行以下五个方面的对比。

1、从合成方法上对比,PBS和PLA相比,PBS的韧性和耐温性更优越,且合成方法简单。PBS的软化点高可达101℃,PLA软化点较低仅为58℃。PBS可使用的温度区间为-30~100℃,能够在沸水环境中应用,而PLA由于软化点的限制,应用领域受到一定的制约。

2、从加工工艺上对比,PBS具有非常优异的加工性能,比PLA更易于加工。加工性能的差别是PLA和PBS最大差别之一,PBS可以在目前普通聚烯烃加工设备上直接推广加工,适应注塑、挤出、吸塑等种常规和特殊的加工方法。按照目前的技术,PBS吸塑工艺做得比较多,注塑工艺还需要突破。PLA的加工条件苛刻,适应性差,不仅需要改性和苛刻的加工环境(干燥环境),还需要专门改造的加工设备。

3、从降解性能上对比,未改性PBS的生物降解性能如下图,在自然土壤环境中有较好的生物降解性能。随着自然降解时间的增加,降解率逐渐提高,降解率在30d的时候已经达到3.5%,表现出优异的生物降解性能,完全可以满足生产生活实际应用需要。

PLA可生物降解材料在土壤中的自然降解效率较低,要实现废弃其高效降解,需采取一定的技术措施,如进行有针对性的培养真菌、细菌或微生物高效菌群体系生物高效降解等。

4、从价格上对比,PBS的价格略高于PLA。

5、从部分性能上对比(如下图)

综上所述,个人认为PBS与PLA相比,在不考虑价格的前提下,PBS为优选生物降解材料。



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