中科院季君晖：全生物降解塑料的合金化、廉价化是改性的主要方向

季君晖生物降解材料研究院 2022-04-24

中国科学院理化技术研究所工程塑料国家工程研究中心季君晖

由于降解塑料品种相对少，很难保证每一个制品都能找到合适的降解塑料树脂，如PBS、PBAT韧性好，但强度较低；PLA强度高，透明性好，但韧性差；PHB有优异的气体阻隔性，但加工性能一般。因此，如何撷取各种降解塑料的优点，取长补短地满足制品的具体需求，是降解塑料应用的重要技术。

部分生物降解塑料性能对比图图源三菱化学

目前降解塑料树脂价格相对较高，而降解塑料制品大多是普通的日用品，这将严重阻碍降解塑料制品的大规模推广应用。开发廉价的降解塑料制品是降解塑料应用的核心内容之一，因此淀粉、碳酸钙、滑石粉等不影响制品降解性能并能被环境消纳的致廉剂在降解塑料改性体系中的应用，尤其是高比例的填充技术，成为降解塑料制品开发的重要技术之一。

降解塑料应用过程常见的改性技术包括填充改性、合金化改性和共聚改性。

1填充改性

填充改性就是在降解塑料树脂中添加不熔融的粉体助剂，主要包括淀粉和无机粉体。其主要目的是制备廉价的专用料，有时也可以提高专用料的强度等力学性能。

常用的填充助剂是淀粉。它是常见的天然可降解高分子，来源广泛、价格低廉，降解产物为二氧化碳和水，对环境没有污染，而且它属于可再生的生物质资源。该填充技术上最该关注的是淀粉的处理，因为淀粉和降解塑料的相容性较差，需要对淀粉进行塑化处理，让淀粉能更好地与塑料基体结合。

淀粉填充PBAT制备的全生物降解背心袋图

另一种填充助剂是碳酸钙和滑石粉等无机粉体。它们都是天然矿物粉，回归自然后能被自然界消纳，因此不会影响整个降解塑料体系的降解性能，但能有效降低改性料的成本，还能一定程度提高材料的强度。因此，在力学性能要求不高的制品中，使用碳酸钙等填充非常普遍。该填充技术要注意的是粉体表面的偶联处理，这将直接关系制品性能和可添加无机粉体的量。

2合金化改性

合金化改性是是降解塑料改性应用中最主要的技术之一。合金化材料是指由两种或两种以上的不同品种降解塑料，通过熔融共混复合而成专用料，一般含有一种连续组分和其他分散组分。

PBS与PLA共混制备3D打印耗材

材料的部分性能显示连续相性能，部分性能显示分散相性能。因此，可以得到集中几种降解塑料优点的新的专用料，可以满足更多的制品需求。

如下是PLA与PBAT两种全生物降解材料共混所得材料的一个力学性能测试表格，可以看出共混改性后的材料会有较好的强度和韧性。

PLA/PBAT共混物的拉伸性能数据表图源中国塑料期刊

3共聚改性

共聚改性是指在聚合物的分子链上引入其他结构单元，来改变聚合物的化学结构，实现对材料的改性。如PLA由于是疏水性聚合物，限制了其在某些领域（如药物载体方面）的应用。一种有效的方法是利用丙交酯与亲水性聚合物（如聚乙二醇、聚羟基乙酸、聚环氧乙烷）共聚，在PLA分子中引入亲水性的基团或嵌段。例如将聚乙二醇与丙交酯开环聚合制备PLA-PEG-PLA缓释材料，使PLA材料的亲水性和降解速率都得到了改善，并且制备的PLA-PEG-PLA可成为缓释材料的载药微球。

PHBV具有生物相容性、光学活性等多种优良性能，应用广泛，但是其制品性质硬而脆且加工困难。可采用接枝改性的方法，在PHBV主链上引入极性功能基团聚乙烯吡咯烷酮（PVP），合成PHBV和PVP的接枝共聚物PHBV-g-PVP。该共聚物的结晶速率和结晶度均降低，膜的亲水性增加，药物缓释速率增加。

来源：节选于《中国化工信息》杂志

作者：中国科学院理化技术研究所工程塑料国家工程研究中心季君晖

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