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谈塑料代替品的发展前景
——关于PET材料未来可替代性的报告

摘  要：PET材料的学名是聚对苯二甲酸乙二醇酯，也就是我们通常所说的“塑料”的一种，PET材料因其良好的力学性能和化学性质，被广泛地运用在生产生活的各个层面，如：矿泉水瓶等。PET材料的使用对环境造成了巨大的损害，本文从塑料代替品的角度入手，探讨了PET材料在未来的可替代性的问题。
关键词：环境学；塑料；PET材料

近年来，国家和社会越来越多地关注到“白色污染”对环境带来的危害。所谓“白色污染”，是人们对难降解的塑料垃圾污染环境现象的一种形象称谓。自从国家颁布“限塑令”以后，塑料袋的使用率大大下降，但“限塑令”并不能真正解决“白色污染”问题，因为塑料袋仅仅是“白色污染”的一个来源，也是最明显的来源，除此之外还有那些更隐蔽的来源，如：中性笔替芯、饮料瓶（PET瓶）等。同塑料袋一样，这些塑料制品同样存在使用量巨大、一次性且不可回收、不可降解等问题。
1  现阶段塑料的处理方式以及问题
废弃塑料制品的回收和再利用已经成为一项世界性的课题，传统的填埋和焚烧方法正在被复用、降解和分解等工艺所代替。废旧塑料的回收利用不仅可以避免污染、节约资源，而且具有很好的经济性。
现阶段工业界对废旧塑料的塑料的处理方式一般有2种：
1.1转换利用处理方式[1]
故名思意，这种方法就是将废旧塑料转作他用
 1）化学方法。现在各种流行的化学方法可以归纳为两种，第一种是利用聚合物的化学性质，将聚合物转化为小分子化合物或者简单化合物。例如：水解反应是聚酯合成反应的逆反应，可以制成对苯二甲酸和乙二醇(聚酯合成原材料单体)；甲醇醇解可以得到对苯二甲酸甲酯和乙二醇；乙二醇醇解的产品为对苯二甲酸双羟乙酯；丙二醇醇解产生低聚物，供合成不饱和聚酯(油漆或油墨用)和醇酸树脂用。
另一种方法是利用塑料的可燃性，焚烧后产生热能发电。这两种方法各有利弊，化学分解的方法，对资源的利用率较高，但是工艺复杂、成本较高，因而影响了塑料制品的回收利用。焚烧产生的废气，如PVC(聚氯乙烯薄膜)燃烧后产生的含氯气体，是酸雨的一种成分，另外许多塑料因燃烧不完全而产生废气，对环境和人体健康危害很大，因此这种方法有被淘汰的趋势。
2）物理转换。类似于直接利用，所不同的是后者为生产厂家自己利用，前者为别的厂家利用。过程也是破碎-造粒-挤出成型(拉伸)或注塑等，必要时加入其它物品。
例如隔音材料的制作是将废旧泡沫塑料被粉碎后，经过红外线照射加热，其体积减少到1/20以下；然后与特殊的水泥相混合，制成“米花糖”状的建筑材料。这种建筑材料的消音效果平均为60%，对某些频率的噪声抑制可达到90%以上。这种材料现已被用转换利用。
另外，制造轻质屋面保温材料的制作过程是，将废发泡聚苯乙烯粉碎，加入膨胀珍珠岩及水泥、砂浆，搅拌混合均匀，于屋面上养护3天，自然干燥，然后同水泥砂浆抹平成轻质混凝土保温层。用该法制成的材料生产成本低，保温性好，屋内冬暖夏凉。
以上两例均为废旧塑料转换利用的实际操作模式。
1.2直接利用处理方式[2]
这种方式的主要特点是塑料制品的加工过程主要是物理过程，即是助剂或色母料的加入，基本上也是物理混合过程。将废旧塑料切片或粒料加热熔化后，注塑成品、注塑吹塑成品或是挤出吹塑成膜或是挤出铸片拉伸成膜。注塑成品的例子是泡沫塑料包装材料(块)，注塑吹塑成品的例子是各种塑料包装瓶，挤出吹塑成膜的例子是多层共挤薄膜产品如热收缩膜、保鲜膜，挤出铸片拉伸成膜的例子是双向拉伸聚丙烯膜BOPP和双向拉伸聚酯薄膜BOPET等。由于上述过程中物料发生的变化全部是物理变化，其化学结构不变，这就为其边角料的应用提供了方便。因此在塑料制品生产厂里，生产中的边角料一般是破碎后，挤压造粒或是熔融后挤出造粒，重新投入生产线继续使用。正因为如此，破碎机和造粒机是塑料工业必不可少的设备。但是这种方法有一个限制，就是塑料制品应是单一成分的或是各成分的物理性能差别不大，不影响二次物理加工。比如，据美国一家公司介绍，EVOH作为夹层制成的PET啤酒瓶，其阻隔效果可以达到玻璃瓶的水平，而且可以完全回收利用。
1.3以上两种方式的问题
无论是化学方法或是物理方法转换利用，或者是直接利用，均面临一个主要困难，即回收的废旧塑料品种混杂，不易鉴别分类，另一方面又特别不干净(一次性聚苯乙烯饭盒)，清洗非常困难，运营成本很高，因此厂家积极性不高。
1.4目前塑料处理的解决方法[3]
目前的解决方法主要有两种：
1）限制生产多组分的塑料制品和提高分类收集、分捡水平。如日本为了促进资源的循环利用，由日本饮料制造商和塑料瓶生产厂家共同组成的“塑料瓶循环利用促进协议会”最近做出决定，将停止生产妨碍循环利用的彩色塑料瓶。对使用过的塑料瓶将根据《容器包装循环利用法》规定的办法进行收集，在工厂分类压碎以后，再制成纤维制品以及衣架、垃圾箱等。以往为了保护瓶内的果汁等饮料免受紫外线照射，生产厂家会使用蓝色及绿色塑料瓶。但是，在再循环利用时，如有彩色塑料瓶混入，不仅再生制品的质量会下降，而且人工处理也非常“费事”。全部改用透明瓶后，解决紫外线照射的办法是，将透明瓶全部用标签覆盖，在标签上留有缝纫机针眼般的小孔以便轻松剥下。用铝等金属制成的瓶盖也将与瓶体同样材料制成的塑料所替代。
2）生物降解。生物降解可谓是最好最环保的处理方式，但是由于塑料制品不易老化，难以被微生物分解，造成所谓的白色污染。与其被动处理，不如从源头上想办法，也正因为如此，塑料工业非常重视可生物降解塑料的研究和开发。目前，从性能和可生物降解两方面均令人满意的品种几乎没有。要真正实现工业化，还有很长的路要走。
2  塑料代替品的发展状况
自从20世纪70年代OPEC石油输出国组织为了对付西方发达国家，降低石油产量，大幅抬高油价，以美国为首的西方国家为此蒙受了巨大的经济损失以来。人们第一次认识到地球上的石油资源是有限的，总有一天会发生枯竭。之后，能源尤其是石油一直左右着世界经济的发展，人类对资源枯竭的恐慌与日俱增，开始寻找新的可替代能源或者生物合成材料，而不再单纯依赖石油这个“黑色黄金”。尽管科研人员在可替代能源方面做了很多努力，可是只有少数尝试获得了一定程度的进展。
原油价格的上涨也相应带动了塑料原材料颗粒的上涨，PP的价格变得更加昂贵。2002～2005年间，塑料原材料的价格与原油价格成比例地增长，几乎提高了一倍。A.T.Kearny公司的咨询专家AndreasGr?f先生认为，随着石油价格的上涨，传统塑料材料替代产品的研发也成了汽车工业最感兴趣的事情。中小型汽车塑料部件供应商要仔细考虑：今后是只生产纯塑料产品，还是应该进行产品转型？[4]
塑料代替品便在这一片呼声中开始了探索与研究，直到现在为止，成型的、可大规模成产的塑料代替品还没有问世，塑料代替品的发展还处在探索阶段，现在通常我们所说的塑料代替品归纳起来可以分为以下种
1.1天然纤维代替物
天然纤维，如亚麻、红麻和大麻等。它们在复合材料中可作为增强材料使用。天然纤维能够替代塑料生产中消耗量非常大的玻璃纤维，同时也可以减少常用的PP和聚氨基甲酸脂的用量。
天然纤维是现在最为常用的一种塑料替代品，如我们所熟悉的环保购物袋和环保纸张等。不过天然纤维塑料代替品的重点不是购物袋而是在汽车制造领域。据统计仅福特公司在欧洲市场投放的车型中，已经有290种部件采用了天然纤维增强材料，所用天然纤维的总重量高达2.7万吨。大众公司也着手以石油化工产品为主的聚氨脂泡沫塑料制造的汽车地毯，全部用HPPelzer公司生产的、以再生棉纤维为原料织成的地毯所代替，并应用其不同类型的车辆中。大众公司在巴西的汽车生产厂则利用当地生产的菠萝纤维作为车顶内饰的材料，用Sisal纤维作为活动顶篷的制造材料。戴姆勒-克莱斯勒公司除了使用亚麻、大麻、剑麻和KoKos作为车内装饰材料以外，也是唯一一个利用Exterieur作为天然纤维原材料的生产厂。由立达汽车零部件系统公司（Rieter，以下简称立达公司）用纤维生产工艺生产的A级轿车备用胎模块中，含有25％重量比的Abaca（香蕉纤维）。每辆宝马7系列的轿车中大约使用了24kg的非合成纤维材料，其中在车门内饰及隔热保温层中约有13kg是天然纤维材料。宝马公司2005年总计使用了1万吨天然纤维材料。[5]
不过，这种天然纤维并非十全十美。立达公司的BerndUweWulf先生认为，一切还刚刚开始，天然纤维只有在价格合理的情况下才有可能被广泛应用。因为对于汽车制造商而言，必须节约每一个“铜板”。新材料必须更好、更便宜。
PP-Matrix聚丙烯材料含有NFK天然纤维增强的塑料材料。但是，只有在石油价格进一步上涨的时候，在可以自由地支配新产品的研发资金时，新材料的研发才有可能。巴斯夫公司塑料技术部的负责人WillyHoven-Nievelsten博士指出：虽然原油价格出现了暂时性的下降，但是这种降价不会持续下去。尽管如此，巴斯夫公司仍然不打算进入天然纤维的经营领域之中。[6]
Hoven-Nievelsten博士认为使用天然纤维材料只会抬高合成塑料的价格，而且PP-Matrix聚丙烯合成材料的技术特性仅能满足汽车发动机舱盖生产的需求。巴斯夫公司研究的重点集中在基础化工材料的转换方面，即基本化学技术转化：将以古生物演变成的石油、天然气等原材料转换到以纤维素、糖和淀粉为原材料上来。也就是说，生物分子的碳分子链接和生物工程塑料的工业化生产，也包括了天然增强的PP。[7]
1.2生物工程塑料
生物工程塑料的研发从20世纪70年代的第一次石油危机时就开始了。目前，市场上已经有三种类型的生物工程塑料：淀粉类，聚乳酸类（PLA，Polyester）和纤维素类，其中最重要的是透明的PLA。使用PLA塑料既可以用于制造能够在短时间内分解的包装膜，也可制成长期使用的饮料瓶，如饮料瓶和酸牛奶瓶，当然还可以制造成汽车工业所需要的产品。美中不足的是，PLA塑料所能承受的工作温度为60℃，即不能超过它的软化点温度。2005年，全球生物工程塑料的年产能力约为30万吨，其中14万吨产自美国的天然工程材料生产厂。
除了上述三类新型生物工程塑料，利用生物工程技术生产的PHB（Polyhydroxyfettsuren）多羟基醋酸材料大概算的上是第四类生物工程塑料了。PHB有着与石油化工技术生产出来的PP材料非常相似的性质，是一种可以生物降解的材料，熔点高于130℃，并可形成透明的薄膜。由于PHB的价格低于每公斤5欧元，所以全球有许多企业都打算开始生产这种材料了。[8]
3PET材料在未来的应用前景
在上世纪 70年代前期，丙烯腈塑料容器率先在市场上出现。但后来美国食品和药物管理局(FDA)撤消了对这种容器材料在食品使用的认可，最主要的理由就是，这种包装材料中的某种化学物质会过多迁移到包装容器装的内容物中。聚氯乙烯(PVC)塑料容器也由于环境上的问题，很快成为不受欢迎的材料。
聚酯(PET)材料的出现使食品包装得到了快速发展。最早使用 PET 瓶包装清凉饮料的企业是美国可口可乐公司，他们用 1.5升的聚酯瓶（PET瓶）取代 1 升的玻璃瓶，结果使零售额上升了 27%。之后，PET 容器包装的食品和饮料渐渐成为热门的“抢手货”。PET容器的重量轻和牢固结实吸引了顾客，受到了市场的欢迎。PET材料还有一大优点就是可以形成任何形状(适用性好)，同时还可以加工制成符合人们嗜好的色泽，可以进行文字和图案印刷。[9]
当前，国际上PET瓶加工技术日新月异，层出不穷，其主要发展方向是提高阻渗性能和耐热性能。从而出现的表面涂复技术、共注射拉伸吹塑技术和共混改性技术等，这些技术国内都有引进设备。而值得引进重视的是纳米改性PET瓶新技术正在开发中，含10%~30%的陶土纳米与尼龙复合成为高阻隔纳米改性PET啤酒瓶的主攻方向。例如，我国河南张弓集团采用纳米技术对PET啤酒瓶进行内壁涂复，提高PET瓶抗紫外线、氧、二氧化碳的优越性能，大力开发啤酒瓶、葡萄酒、鲜果汁包装瓶取得较好的效果。[10]
今后的 PET在一些市场领域中，PET 材料失去了差别化的魅力。为了更加吸引消费者的注意，一些生产企业在用 PET包装软饮料和饮用水之后再加上纸盒作外包装。从环保的角度说，现在生产的一些 PET 容器是属于不可回收再生的类型。日本的麒麟公司的研究人员目前正在研究开发可以生物分解的PET，但尚未上市。
总之，在全世界逐步追求资源再生利用的大趋势下，PET 材料一定会向更加环保的方向发展。

参考文献
1  中国包装工业, China Packaging Industry, 编辑部邮箱2006年07期
2  中国农村科技, China Rurac Science & Technology, 编辑部邮箱 2002年 10期 作者：魏伯兴
3  欧洲发明用木质素生产生物塑料方法  原文摘自中国科学院化工材料分析研究所
4  瓶装水包装走向轻质化      原文摘自中国科学院化工材料分析研究所
5  PET瓶回收利用有新技术     原文摘自中国科学院化工材料分析研究所
6  
7  新型生物基塑料的发展      原文摘自中国科学院化工材料分析研究所
8  ，2009-6-16
9  维基百科，关于塑料制品的调查分析
10 百度百科，塑料包装