新型全生物降解塑料PBS进展

新型全生物降解塑料PBS进展 季君晖 研究员
CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY ACHIEVEMENTS
中国科技成果2008年第08期特别策划

季君晖，男，研究员，工学博士。现为中国科学院理化技术研究所研究员，博士生导师，工程塑料国家工程研究中心
总工程师。发表论文40多篇，授权专利10多项，鉴定科技成果7项，出版专著1部，主持或参加制定国家标准、行业标准多
项。成功开发了抗菌冰箱、消毒洗衣机及系列抗菌材料、全生物降解塑料聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、改性塑料等产品，其
中抗菌母粒、纳米PET工程塑料获国家重点新产品称号。

降解塑料是指在一定的自然环境条件下，能够被自
然界各种作用分解变成低分子化合物的材料。自1973 年
Griffin 提出全世界第1 项可降解塑料专利以来, 降解高
分子材料得到了快速的发展。降解塑料的发展经历了淀
粉等天然材料直接开发利用、淀粉/ 聚合物共混体系——
崩解型材料、开发全生物分解高分子材料及开发廉价通
用型全生物分解塑料等四个阶段。由于全生物分解材料
在微生物或动植物体内酶的作用下，可最终分解为二氧
化碳和水而回归自然，与天然大分子，如淀粉、纤维素
等相比更好的力学性能和耐水性，易加工，能够达到塑
料的使用要求；通过调节其化学结构，能实现可控降解
等特点，是目前降解塑料发展的主要方向和内容，并将
是今后中长期的产业发展方向。
近年来，发达国家以完全生物降解塑料的研发最为
活跃，据报道，1998 年全球完全生物降解塑料年产量约
为3 万吨，到2001 年，美国、西欧、日本的产量已增加
到7 万吨，2004 年已经达到12 万吨。据预测，2007 年前
全球新投产的生物降解聚合物产能将达22.5 ～ 30 万吨。
脂肪族聚酯当中研究得最多的是聚（β- 羟基丁酸
酯）（PHB）、聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）
以及它们的共聚共混物。
近年来，为了开发新型的综合性能良好的脂肪族
聚酯，聚二元酸二元醇酯系列的开发研究已受到世界范
围内的普遍关注。二醇和二羧酸的选择是开发二醇－二
羧酸聚酯类可生物降解塑料的关键。其选择对聚合的难
易、聚合物的物理性质和可生物降解性以及生产成本都
有很大的影响。用作普通塑料的可生物降解材料，要求
其必须是耐热的，尤其是熔点要高于80℃。在该系列中，
PBS 及其共聚酯聚丁二酸/ 己二酸－丁二醇酯（PBSA）
由于具有良好的综合性能而受到青睐。

作者：218.89.201.*    发表时间：2008-07-30 09:12:32 【我支持】 【不好说】 【我反对】 【回复主题】 [置顶 取消] [精华 取消] 删除此主题

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新型全生物降解塑料PBS进展

1 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）国内外进展
PBS 由丁二酸和丁二醇聚合而成，采用传统缩聚方
法，合成的PBS 分子量低于5000，不能作为材料医用，
但作为气相色谱固定相或增塑剂早已有商业化的产品。
1993 年，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，高分子量的PBS 的力学
性能优于PE，熔点为115℃，满足通用塑料的使用要求，
可在普通塑料加工机械上进行注塑、挤出和吹塑等成型
加工设备上进行各类成型加工，在干燥环境中稳定，在
泥土、海水及堆肥中都能完全生物降解，因此可在较长
的贮存和使用期内保持性能稳定，而使用后可迅速降解。
原材料价格低，来源丰富，以脂肪族二元酸、二元醇为
主要原料，因此这类聚酯作为新型生物降解塑料引起了
广泛的关注。在20 世纪90 年代末，昭和公司实现了产
业化，以商品名为“Bionolle”系列产品上市。目前昭
和公司的PBS 产能为3000 吨/ 年。近年，日本三菱公
司建立了10000 吨/ 年的PBS 生产线。中科院理化所在
中科院北物质项目的支持下，采用特种高效催化体系，
通过一步法聚合的新工艺直接制备得到高分子量的PBS
产品。该创新性的工艺不仅可以和扩链法一样得到分子
量超过200000 的高分子量的PBS 产品，而且在工艺流
程和卫生性等方面具有明显的优势，和扩链法比较省了
扩链反应步骤，简化了工艺，减少了损耗和设备投入，
降低了成本；产品不含扩链剂，卫生性能得到明显提高，
可以应用于食品包装等领域，并较扩链产品有更好的生
物降解性能。
2 PBS 应用研究
PBS 虽然具有良好的综合性能，但其刚性较差，与
普通塑料相比其生产成本还是偏高，应用推广受到限制。
为了改善PBS 的性能，降低PBS 制品价格，使其能得
到更广泛的应用，人们根据应用要求通过共聚、共混等
方法合成出了一系列的PBS 基生物降解材料：
（1）PBS 基共聚塑料（釜内在线聚合改性）。为改
善PBS 的生物降解性，通过釜内在线添加功能性第三
组分如己二酸、乙二醇等分，在得到的聚合产物P（BSco-
BA）、P（BS-co-ES） 中发现调节共聚组分的比例，可
以改变聚酯的生物降解性能。聚酯的熔点和结晶性质对
生物降解性能有很大影响，聚合物熔点越高越不利于生
物降解，聚合物的无定形部分比结晶部分较容易降解。
芳香族聚酯的耐热性能好，但不能被微生物降解。往
PBS 中引入适量的芳环共聚组分，既可以提高使用度
又能保留生物降解性。
（2）PBS 基共混塑料。将PBS 与其他降解塑料共
混可提高PBS 的机械性能，并降低成本。如和PLA、
PHB 等合金改性，不同的全降解聚合物具有不同的特性，
相互之间的共混可以制得复合不同需求的全降解塑料合
金，制备的PBS 和PLA 等树脂的合金，降解性能良好，
力学性能具有特色。
淀粉与PBS 都是完全生物降解材料，添加淀粉等添
加物质可能提高PBS 系列材料的生物可降解性，降低材
料成本。但淀粉的机械性能差，选择合适的配比和改善
PBS 和淀粉的相容性是PBS 中添加淀粉的关键，以得到
既保留机械性能又经济的降解塑料。
PBS 中也可加入其他无机填料以改善其工艺加工性
能，提高制品包装膜的使用性能，并降低最终制品成本，
如和碳酸钙、滑石粉等无机填充物质共混改性，然而，
无机填料的加入通常与脂肪族聚酯基体是不相容的。因
而，必须对其进行表面处理，以改善填料简单填充存在
的缺陷，实现了高填充、增强的目标，得到的复合材料
具有良好的力学性能。
（3）PBS 加工研究。PBS 系列材料（包括树脂及其
改性产品）加工技术的研究及制品制备。利用现有的聚
烯烃通用加工设备开展了PBS 成型加工工艺研究和相关
制品的开发：
● 注塑：PBS 系列材料包括树脂、釜内改性系
列PBS、碳酸钙、滑石粉、淀粉填充的PBS 及PBSA、
PBST、合金等均可以采用注塑工艺成型，加工工艺稳
定可靠，制品成品率高。目前已经制备了一次性刀、叉、
勺、牙刷、梳子等。
● 挤出：利用30％碳酸钙填充的PBS 和25％淀粉
填充的PBS 挤出了1mm、0.8mm 厚的片材。利用30％
碳酸钙填充的PBS 进行1mm 厚片材挤出。
● 吸塑：利用挤出片材吸塑成手机包装盒，快餐托
盘、超市果蔬盒。利用挤出片材边角料吸塑制备成了化
妆品包装瓶。
● 吹膜：制备超市购物袋。
目前，PBS 可以用做一次性餐具、食品包装、垃圾
袋、服装袋、包、缓冲用品、托架网、隔板、复合膜、
种子培养带、草坪用网、植被罩、渔网、钓线、手提袋、
短期标牌、化妆品瓶、各种塑料卡片、婴儿尿布、高尔
夫球座、农用材料、药物缓释载体基质、土木绿化用网、
膜等。随着聚丁二酸丁二醇酯的深入开发，其应用领域
还会不断扩大。

作者：218.89.201.*    发表时间：2008-7-30 09:13:03 【我支持】 【不好说】 【我反对】 【引用】 【回复主题】 删除此回复

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新型全生物降解塑料PBS进展

3 PBS 和PBS 类改性材料的生物降解
动力学行为
堆肥法是近年来根据工业上处理城市垃圾的堆肥原
理发展起来的一种评价塑料生物降解性能的方法，其本
质是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌和真菌等微生
物，在最适宜微生物生长的条件下，促进可生物降解的
有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程。此法用来
评价塑料的生物降解性能快速有效、简单直观，并能在
相当程度上反映出塑料在自然条件下的生物降解性。迄
今，堆肥法已成为美国、日本和欧洲各国评价塑料生物
降解性能的主要方法。国际上的堆肥化标准主要有国
际的ISO 14855、美国的ASTM D 5338 和ASTM D
6400、日本的JIS K 6953 和德国的DIN V 54900。关
于全生物降解塑料的生物降解率标准，目前国际上基本
都是要求单一聚合物（均聚物或无规共聚物）6 个月达
到60％（理论值）以上，而非单一聚合物（嵌段共聚物、
接枝共聚物、混合物或添加低分子量添加剂）6 个月达
到90％（相对值，以纤维素为参照物）以上。
我们国家在塑料的生物降解性评价方面起步较
晚，直到2003 年才建立国标GB/T 19277—2003/ISO
14855:1999, “受控堆肥条件下材料最终需氧生物分解
和崩解能力的测定——采用测定释放的二氧化碳的方
法”。本中心建立了完善的塑料生物降解性评价体系并通
过了国标验证。
PBS 和PBSA 薄膜在可控堆肥条件下的生物降解动
力学行为如图1 所示。从图1 中可看出，降解90 天后，
PBS 薄膜的生物降解百分率为90.7％，PBST 薄膜生物
降解百分率为60.1％ , 而PBSA 薄膜的生物降解百分
率高达92.1％。说明在可控堆肥条件下，PBSA 薄膜比
PBS 薄膜和PBST 薄膜具有更好的生物降解能力和可堆
肥化能力。
4 PBS 和PBS 类改性材料的产业化进
展及展望
（1）PBS 和PBS 类改性材料的产业化进展。1994
年日本昭和高分子公司用扩链反应成功开发了高分子量
的PBS 类聚酯（包括PBS 和PBSA），形成了3000 吨
/ 年的中试生产规模，并作为“Bionolle”系列产品上市，
据报道昭和公司目前正在扩产，预计近期可以形成2 万
吨/ 年的规模。三菱化学公司也在与Ajinomoto 公司合
作开发基于生物技术的PBS 生产工艺，先从植物淀粉制
取琥珀酸，然后生产PBS，目前三菱公司已经形成了1
万吨/ 年的生产规模。
国内中科院理化技术研究所工程塑料国家工程研究
中心、上海有机所、清华大学等都开发出高分子量PBS
类聚酯的新技术，已成功进行了中试放大实验，其中理
化所技术明确已经在杭州鑫富药业实现了产业化，形成
了2 万吨/ 年的产业规模，是目前国际上唯一一条一步
法生产PBS 的生产线和国际上规模最大的生产线。
（2）展望。PBS 生物降解性聚酯作为塑料家族的新
品种，因良好的综合性能而得以快速发展，目前已进入
实用推广阶段。而随着绿色塑料市场的需求量增加，产
业规模的进一步扩大，以及利用再生资源、进一步优化
合成工艺，其价格将逐步降低，为市场所接受。2008 年
的北“绿色奥运”，为绿色塑料提供了巨大商机，必将
有力的推动绿色塑料产业的发展，PBS 生物降解性聚酯
作为绿色塑料具有广阔的发展前景。

参考文献
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Convenient Synthesis of Poly（butylene succinate）
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polyester. US Patent No. 5,310,782. 1994.05.10
[5] 季君晖．全生物降解塑料的研究与应用. 塑料，
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聚丁二酸丁二醇酯[J]．中国包装工业，2002（5）：19
[7] 王晓青，石峰晖，严庆．生物降解塑料在包装
领域的加工应用技术进展[c]．北：2005 年全国高分子
学术报告会，2005．