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可持续性生物聚合物包装
HANS-JOSEF ENDRES ET AL.
包装材料-生物聚合物作为天然材料,被寄予众望能够解决目前塑料包装的处理问题。生物聚合物是否能够彻底解决这个问题而不带来任何后患或顾忌,如何解决与食物链之间的冲突,其纷繁多样的材质是否真的能够带来生态、服务和处理方面的收益?本文将针对这些问题深入剖析,一一作答。
在当前关于食品工业可持续性和环保警示的辩论中,传统塑料包装一再被推上纷争舞台的中央。塑料包装无疑具备优良的包装性能,如卓越的耐化学性、改善的生产加工方式和和高度设计自由,但这些都被其物料处理方面的缺陷所抵消,例如产生大量废弃物、不可降解性、单一聚合物再回收带来的复杂问题。比这些更糟糕的是,由于塑料包装的生产局限于使用石油化工原料,因而在焚化时也破坏了CO2平衡。
有鉴于此,包装行业转而将兴趣越来越多地投向生物聚合物,并且已经有针对包装领域的法律特别条款出台。例如,从今年初起,石油化学原材料生产的塑料集装袋在意大利已经禁止销售。德国在2005年5月修订了官方包装条例,如直到2012年的“Green Dot”(Grüner Punkt)征税(见图1),得到认可的可堆肥生物聚合物包装可以免除处理税。
随着生物聚合物越来越多地涌入市场,迫切需要对其处理办法充分考虑,切合实际地制定生物聚合物包装及堆肥处理规则。不止局限于堆肥,在很多情况下,其它处理办法也是可行的,例如回收再循环,仅需一些精明的处理之举,还可发掘出额外的利用价值,类似于传统塑料的处理方法,将生物聚合物作为培养基或辅培养基用于沼气制造,或者直接在能源制造中取代燃气。在所有这些情况下,不仅实现了能源再恢复,还不会增加CO2的排放(见图2)。

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生物聚合物薄膜与包装
生物聚合物进行制造和加工时使用的技术,基本与传统塑料相同。因为绝大多数生物聚合物薄膜是基于聚交酯(PLA或聚乳酸)和淀粉混合物(见图3)生成,热敏塑料制造技术占据绝对主流地位。另外相当大一部分由再生纤维素和各种聚乙烯醇(PVAL)薄膜构成,这方面制造广泛应用的是薄膜注塑技术。

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在过去的3、4年间,生物聚合物包装的制造经历了一个稍嫌拖沓的开端,现在已经有所增长。造成拖沓的最重要原因是,来自食品等级许可、重要阻隔性能以及行业加工提升优化需求方面的要求,例如,生物聚合物包装需要避免由于气体、味道和水分的泄漏所引致的包装物品在构成和/或感官性能方面的变化。
生物聚合物薄膜的阻隔性能
在阻隔性能方面,与传统高分子材料如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)相比,生物聚合物的两极结构还是明显逊色。在可降解生物聚合物之中,只有PLA目前被开发作包装材料,多基链烷酸酯(PHAs)虽然具备一定程度的水汽阻隔性能(见图4),然而与PET、PE或PP相比,其透水性还是明显高出。

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透氧性能 透氢性能
对于生物聚合物来说,涂层不失为最能够帮助提升阻隔性能的方法,尤其是对于可多种涂层的PLA瓶和PLA薄膜来说。然而,额外的涂层也意味着额外的做功,而且,涂层也往往不像基底材料那么耐磨,更加容易被刮蹭和褶皱。作为可替代涂层的更优选择,由生物聚合物和(石油化学产品)阻隔材料构成的多层薄膜产品从研发投入生产。
实际生产中已经有了应用这种创新材料的范例,如用于可口可乐和达能饮用水的可持续原材料(生物乙醇)制造的生物PET,及由巴西圣保罗Braskem S.A.公司出品的全生物基生物PE,应用了创新薄膜,涂层便是画蛇添足了。同时也因为传统高分子材料是石油化学产品远亲,具有同样的化学结构,还“现成既得”地开发出了传统高分子材料替代品,使得生物聚合物第一次具备了高水分阻隔性能。青出于蓝而胜于蓝的第三代创新生物聚合物备受瞩目的不再仅是其生物降解能力,而是更吸引人的的其使用生物基原材料添加复合耐耗聚合物材料。
生物聚合物包装的可持续化处理
立足于实现资源的可持续利用这一目标,在使用可再生原材料包装时,仅仅考虑生产中需要的生物原材料和能源的供应(“从摇篮到大门”)方面,还算不上是对生物聚合物的可持续性的客观评估,着眼“从摇篮到坟墓“的视点同样很重要,也就是评估其处理性能。在处理过程中,通过简单附加处理,便可实现更高等级的可持续性(见图5)。

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堆肥:直至现在,堆肥都一直是生物聚合物包装领域关注的焦点。生物聚合物总体上可以被认定为可堆肥,即可以在工业堆肥工厂中完成腐败分解,并且可以转化为诸如CO2、H2O或生物质/腐殖质的物质。基本上也可以说,堆肥环节是从技术角度来定义生物聚合物的加工。然而关于堆肥流程,也存在优化改良的需要,例如,废料需要分类收集和分别运送,由于会导致额外的开支,因而造成系统、经济,还有特别是生态方面的问题。
在很多情况下,堆肥鉴别仅仅证明一个已存在的产品(特别是限定壁厚的材料)在工业操作环境下(例如特定的氧气、水分含量,常规堆叠量,温度曲线和适当微生物存在)一定时间内被生物降解。不过对于家用肥料来说,无须完全分解。
目前可堆肥包装的处理程序,包括相关法规(例如,德国堆肥条例),并没有形成广泛采纳及持续实施。例如,德国的生物聚合物包装尽管明确地标注可堆肥性和规定处理类别,但是由于德国DSD (Green Dot)对处理税的废止,并不利于在实际操作中如对黄桶和棕桶的正确利用。
在很多情况下,堆肥仅仅简单被作为处理程序的一部分,这样它便算不上是最具可持续性的处理方式。当然,堆肥在实际操作中很切实可行,但是如果附加一些改良方法,便可使腐败过程同时具有额外的功能性优势。这方面的例子有很多,可降解植物花盆或农用薄膜在使用后可以直接埋进土壤,而无需再收集和处理,洗衣袋可以直接溶解在洗衣机中,以及医疗植入物可以被人体吸收并配合创伤治愈。
此外,由于通过堆肥“冷燃烧”处理所产生的二氧化碳排放量,实际上跟生物聚合物直接焚烧或沼气燃烧所产生的数量相等,因此由生物聚合物产生的沼气便可具有额外的能源再恢复用途。
再循环:有别于堆肥,再循环是换了个视角来看待处理办法。在热敏塑料生物聚合物领域几乎没有过任何相关经验可借鉴,但很可能产生传统高分子材质再循环时出现的相似问题,例如,如果物料的整体热能和化学稳定性都很低,就会导致很明显的下降性循环效果。因此,在传统塑料从使用前再循环(生产废料再循环)和使用后再循环(混合及污染废物再循环)领域的相关经验,包括分类整理和可能稳定性,都应该被考虑到。
除此之外,各种生物聚合物材质门类及复合物,与传统塑料之间几乎再没有通用性。因而针对高性能辅原料,客观需要对废料进行尽可能完善的聚合物分类。
然而目前来看,生物聚合物会如何影响整体废料处理,并不得而知。一方面,应该避免辅原料在通过少量生物聚合物时被污染,另一方面,分别处理单一材料只是在一定比例的废料情况下才显得经济,而实际上往往会有10,000 t/a的废料。如同起初的物料隔离测试显示,生物聚合物基本上在废料中可以被识别出,如利用其特有的NIR(近红外线)光谱(见图6)。

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焚烧:在废料处理过程中,直接焚烧生物聚合物可以实现更多地实际应用,也无须为此再将其与传统塑料废料区分隔离。
生物基材料所占的比例越高,所制造出燃烧能源的中性二氧化碳量就越大。
图表7显示了生物基碳含量在多种生物聚合物材料样本总碳含量的份额。有了生物聚合物中生物基碳和可再生原材料相关份额的数据信息,就可能计算生物基以及燃烧过程中生成的中性二氧化碳量。

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生物基碳含量
与石油化学塑料及几乎所有供给能源相似,热值的高低完全依赖于燃烧材料的单一基础混合物(及水分)。碳原料(石油化学或生物基)在加热或燃烧值方面并没有起到影响作用,只有可氧化成分和不可氧化成分的比例才是关键。具体到研究中涉及的各种材料,这个比例是指碳和氢与氧和水之间的比例。因此就不奇怪,生物基PE的热值是与传统石化基PE的相同的,也同样可以解释,传统塑料如PA或PET杂原子(如氮或氧)会降低生物聚合物的热值(见图8)。

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初步科学研究表明,特定材料的燃烧排放与热值相似,仅仅依赖于化学成分(含所有添加剂)和燃烧温度。生物聚合物燃烧排放的潜在毒素类似于木质燃烧,因而如同实际操作中所期待的,生物聚合物的焚烧设备并不需要在传统焚烧设备上做任何升级。
沼气:沼气是生物聚合物的更进一步的处理方法,直到目前也鲜有科学家或实际应用涉足。与CO2在有氧堆肥条件下产生的过程不同,沼气的基本成分甲烷(CH4)是有机培养基在沼气工厂绝氧条件下,经过多重步骤来产生的,从技术基础来看,利用可降解生物聚合物来生产沼气是完全可行的,并且可以进行再继续处理,将生物聚合物沼气升级为天然气品质,便可供给配电网络。
沼气不仅能够实现能源或燃料的再恢复,而且还可实现包装和食品成分混合处理。过了时令、生产过剩或变质的食品,无须诸如机器分拣隔离包装和食品这样的附加处理,便可以直接进入沼气工厂。由德国Rostock大学加入的研究已经展开,对生物聚合物在沼气工厂内绝氧条件下的腐败行为进行了初步定位分析(见图9)。

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基于理想配比成分,并假定完全转化,可以计算出沼气产量的理论数值。从初步研究中得出,绝大多数生物聚合酯,如PLA或共聚多酯,其转化过程困难重重。相比之下,沼气最高产量还是来自于淀粉基聚合物和淀粉混合物。
进一步的研究分析了转化的生物聚合物之间的关联(例如,材料类,分子结构和重量,洁净度和添加剂),以及沼气工厂处理参数(如停留时间、温度和有机助消化负荷),也考虑到了转化率和甲烷产量。除此之外,在转化过程中可能需要进行预处理(例如,预热处理,粉碎和微波),研究要探讨产生预处理的原因,及由此导致的沼气数量和质量。
结语
生物聚合物包装在特定适用领域,无疑是替代传统塑料包装的更优选择。然而,适用中也应确保可带来生态环保、服务或处理方面的更高收益,否则生物聚合物薄膜也就失去存在的意义。
除了原材料方面,生物基生物聚合物材料具备许多不同的处理方面优势,也就是所谓的“生命周期结束处理”。
生物聚合物在堆肥过程中仅需一些附加处理,便可额外获得CO2中性能源,因而可以说生物聚合物是一种可再生能源,而非以往仅仅作诸如包装这样的机械用途。因此,将乙醇作为聚合物原材料随后进行设备再循环,以及生物聚合物最终的焚烧能够实现能源再恢复,比直接燃烧生物乙醇显着提升了利用价值和产出。同时从生态角度来看,因为从一个碳原子最多只能产生一个CO2分子,因而不论堆肥、直接燃烧还是生成沼气或生物燃料,生物聚合物在任何处理情况下的CO2排放量是相同的。 12/27/2012


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