可降解材料在吸管方面的应用研究进展

可降解材料在吸管方面的应用研究进展

朱乔良      

扬州凌海塑胶制品有限公司    江苏省扬州市    邮编：225200

摘要：在全球经济的大发展下，人们对改善环境的诉求越来越强烈,使用生物降解材料被认为是解决"白色污染"最有效的方案。从我国的双碳战略目标来看,使用可降解材料也可以有效减少温室气体排放。在此背景下,本文总结了生物可降解吸管的生产技术现状，综述了可降解材料在吸管方面的应用研究进展，对相关产业发展提出了建议。

关键词：可降解；吸管；聚乳酸

引言：2020年初，国家发展改革委和生态环境部发布《关于进一步加强塑料污染治理的意见》，要求全国范围餐饮行业禁止使用不可降解一次性塑料吸管，这意味着餐饮业不可降解吸管要停用，需要寻找新材料吸管替代市场。但目前市场上的生物可降解吸管在耐热性、力学强度、加工性能等方面还存在不足，并且价格较高。据有关报道可知，仅2019年中国的餐饮业吸管使用量达到了400多亿根（吸管的成本为0.03元/根），如果采用PLA等生物基原料，成本将达到0.10元／根，因此，如何提高生物可降解吸管的使用性能同时降低材料成本也是研发的热点话题。下文通过对近年来可降解材料在吸管方面的应用研究进展分析，希望能给行业提供参考。

一、生物可降解吸管生产技术现状

目前市面上常用的习惯分为纸吸管和改性降解塑料吸管两类。纸吸管吸水性太好，但不能长时间在较热液体使用；改性降解塑料吸管可以长时间在较热液体中使用，但由于其价格高，使用过程中也会出现韧性不足、刚度不够等问题，急需要新的材料添加改良更优。

在常用的众多可降解材料中，由于PLA具有好的光泽度、好的生物相容性、阻隔性能强以及生物可降解性优良等特点，被用于可降解吸管领域；但PLA也有比较明显的缺陷，主要是耐热性差、缺乏柔性、弹性不足。当热软化温度在70℃以下制成吸管后，其降解容易变脆，在较热液体中无法使用。PBAT的分子链段具备长链脂肪烃的柔性和芳环的刚性，因此其具有较优的柔韧性，但是强度不不够；而PBS耐热性和柔韧性比较好，但是刚性不足；PHA共聚物则具有较好的柔韧性和热稳定性以及加工性能良好，但是成本太高［1］。

因此来说常用多种可降解材料混合使用，根据细分市场的具体使用标准，按照一定的比例共混。应用于餐饮业市场吸管生产。将柔韧性好的的PBAT和耐热性高的PBS等与可降解性优良的PLA进行共混，不仅可以提高PLA的韧性，还能加快PBAT的分解速率。只是需要注意的是PBAT与PLA两者的兼容性问题，如何提高两者之间的相容性，从而生产性能更好的混合物是研究的重点问题。有学者提出在PLA/PBAT混合物中掺入质量分数4％～7％的甲基丙烯酸缩水甘油酯，可以将PLA/PBAT混合物的冲击强度提高27％～50％，同时改善了PBAT在PLA中的分散性。

二、可降解材料在吸管方面的应用研究进展

（1）PBAT改性PLA吸管

有研究将PLA与PBAT按照不同配比共混，同时加入Y-R-Si(OR)、lubricant等，通过混合、双螺杆挤出、模具成型、冷却、拉伸切割形成直管胚、螺纹成型等工艺，生产出直径4.20mm、长度163.00mm、壁厚0.18mm、可弯曲螺纹齿10组、插入端斜角45°的改性PLA可弯曲吸管产品，改性PLA的拉伸强度随含量的增加而降低。在挤压试验中，发现当秸秆材料的抗拉强度低于55MPa时，秸秆在牵引过程中会严重断裂，因此，改性PLA材料的拉伸强度应满足55MPa以上的要求，即PBAT质量分数不应超过40%。结果表明，PBAT的加入可以有效提高改性PLA材料的弹性，缓解PLA秸秆的开裂问题，当PBAT含量低于10%时，PLA秸秆的弹性降低，秸秆断裂，牙齿断裂，PBAT含量越高，秸秆的弹性越好，冲击断裂率越小，螺纹断裂率越低。当PBAT质量分数为10%~20%时，PLA塑料吸管的冲击开裂率满足小于2%的指标，断裂率满足或等于国家标准3%以上的所有指标，满足PLA塑料稻草的使用安全条件，弯曲成型率满足或等于国家标准98%以上，满足大规模生产的条件。然而，当PBAT含量分数过高时，PLA秸秆破膜率指标的合格率会降低。当PBAT含量过高时，韧性变化过大，导致挤出螺纹回弹，无法完全成形，PLA秸秆的合格率将低于指标（98%以上）。因此，PBAT的最佳质量分数为10%~20%，此时，改性PLA吸管材料的MFR和拉伸强度等机械性能以及吸管的冲击开裂率、弯管螺纹的断裂率、吸管的破膜率和螺纹齿的成型率等使用性能最好［2］。

（2）PHA改性PLA吸管

PHA是一种高结晶性和高聚合度的生物质聚合物，将其与PLA共混可以改善PLA的结晶性，提高PLA的抗撕裂性能和抗冲击性能。有专家研究后公开了一种高韧性耐热的全降解吸管制备方法，将PHA粉末按照质量分数30.0%~50.0%与PLA粉末(质量分数50.0%~70.0%)混合均匀并干燥，制成PLA/PHA混合物；然后在PLA/PHA混合物中，分别添加质量分数0.5%~2.0%水滑石粉、质量分数0.1%~2.5%聚酯稳定剂和质量分数0.1%~2.5%成核剂；将以上混合物充分混合后，经双螺杆挤出机熔融挤出并水冷切粒、干燥，制成母粒，通过该母粒制得的PLA吸管耐热温度高于90℃，韧性好、可生物全降解，解决了目前普遍存在的一次性可降解吸管不耐热、韧性不好和不能完全降解的问题。还有一些学者研究后也公开了一种采用PHA材料对PLA进行改性的生物可降解吸管及其制备方法。该方法(组分以质量分数计)是先将3.0%~12.0%竹粉和0.3%~1.0%铝钛偶联剂搅拌均匀，得到竹粉预处理料备用；然后将50.0%~80.0%PLA和10.0%~40.0%PHA进行混合，在100~250r/min的搅拌速度下，分别依次加入1.0%~2.0%环氧大豆油、竹粉预处理料、0.1%~1.0%润滑剂和0.1%~1.0%抗水解剂，搅拌均匀得到PLA混合料；最后将PLA混合料加入到双螺杆挤出机中，挤出吸管管胚，管胚在设备牵引下依次经水冷、风冷、除水和切割等生产工序得到PHA改性PLA可降解吸管产品。通过该方法制得的生物可降解吸管具有耐热性好、力学性能好、降解时间长、储存过程中抑制有害微生物能力强的优点

［3］。

（3） PBAT和PBS修饰的PLA移液管

在新型生物可降解材料中，如PBAT和PBS聚乳酸改性制备改性聚乳酸可降解移液管的方法原料包括25.0~50.0份PBAT，20.0~50.0份PLA，10.0~25.0份改性玉稻草粉和0.3-2.5份添加剂。添加一定量的玉米秸秆用于降低可降解复合材料的成本，但PLA基质、PBAT和改性玉米秸秆粉之间存在于相容性和分散性差，应使用多元醇表采用表面活性剂对玉米秸秆粉进行改性，解决了添加问题挤压过程中存在断条、不连续和不光滑等问题，还提高了产品的冲击和拉伸性能。有专家用PBS材料对PLA进行改性，并添加壳聚糖基团可生物降解抗菌吸管的制备方法，此方法组分数按质量分数计算，制备步骤如下：90.0%PBS与5.0%~40.0%PLA混合然后分别加入1.0%～20.0%的预用偶联剂食品级无机填料（碳酸钙、滑石粉、双氧一种或多种平均粒度的硅化物、硫酸钡和硅藻土不超过15μm）1.0%～20.0%壳聚糖，0.1%~2.0%偶联剂，0.1%～2.0%塑化剂，0.1%～2.0%抗氧化剂，0.1%~2.0%成核剂均匀混合，通过双螺杆挤出造粒，然后通过单螺杆挤出取出模具并冷却吸管以进行切割，用这种方法制备的生物学可降解抗菌秸秆具有优异的降解性、耐高温性和抗菌性能良好。

结语：目前，可降解塑料产业仍处于发展初期，被广泛应用的可分解材质还有PLA，PBAT，PBS，PHA等，其中，PLA和PBAT是可降解塑胶应用领域主导生产商。由于两者的特点有所不同，PLA一般使用于可降解吸管，PBAT一般使用于可降解塑料袋，PLA生产大部分聚集于海外地区，中国PLA行业仍处在萌芽发展阶段，已建并投入的PLA工厂并不多，且大多数规模较小。较PLA来说，PBAT技术壁垒相对而言较低，产品比较完善，国内外具有PBAT生产能力的公司较多。现在可降解材料在吸管方面的应用研究基本上聚集在PLA，PBAT2种组分共混的生物可降解吸管产品，PBAT，PBS，PCL，PHA，PLA多组分共混的生物可降解吸管产品，以及淀粉基、生物质纤维素与PLA共混的生物可降解吸管产品；另外，原料配方要兼顾到吸管的耐热性、力学性能、加工性能、生产成本等因素。未来随着"禁塑令"政策的推行、原料价格降低、技术进步、产能扩大、生产成本降低，可降解吸管的推广应用将加快。

参考文献：

[1]常婷婷，薛庆海.前瞻行业新风向  产学研投谋共赢——2021可降解材料产融峰会暨《中国化工报》社有限公司产业金融智库第四次年会嘉宾观点集萃[J].中国石油和化工，2021(12)：56-62.

[2]董同力嘎，张靳，胡健，陆浩，王莉梅，云雪艳.硅橡胶材料、生物可降解材料和微孔材料在果蔬气调保鲜中的应用与进展[J].内蒙古农业大学学报(自然科学版)，2020，41(06)：96-100.DOI：10.16853/j.cnki.1009-3575.2020.06.017.

[3]孙斌. 生物可降解材料—聚乳酸及其共聚物的制备与性质研究[D].山东师范大学，2015.