塑料包裝材料質(zhì)輕、強(qiáng)度高，可制成適應(yīng)性強(qiáng)的多功能包裝材料，因此人們對塑料包裝的依賴愈來愈大。但塑料包裝物的大量一次性使用也產(chǎn)生大量廢棄物，由于這些廢棄物量大、分散、收集再生利用成本高昂，而且其原料大部分屬惰性材料，很難在自然環(huán)境中降解等原因，使得它們對環(huán)境造成的污染和生態(tài)平衡的破壞不斷積累，已經(jīng)成為二十一世紀(jì)社會與生態(tài)的噩夢。
因此解決塑料的自然降解，使塑料進(jìn)入生態(tài)良性循環(huán)，解除其對自然與環(huán)境的破壞，成為各國科學(xué)家與企業(yè)開發(fā)熱點(diǎn)。
降解塑料的研究開發(fā)可追溯到20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)在美國開展了光降解塑料的研究。20世紀(jì)80年代又研究開發(fā)了淀粉填充型“生物降解塑料”，其曾風(fēng)靡一時(shí)。但經(jīng)過幾年應(yīng)用實(shí)踐證明，這種材料沒有獲得令人信服的生物降解效果。20世紀(jì)90年代以來降解塑料技術(shù)有了較大進(jìn)展，并開發(fā)了光生物降解塑料、光熱降解塑料、淀粉共混型降解塑料、水溶性降解塑料、完全生物降解塑料等許多新品種。近年來，生物降解塑料特別是生物物質(zhì)塑料，完全可以融入自然循環(huán)，是有社會與市場前景的降解材料，已在業(yè)界成為共識，并有成果不斷涌現(xiàn)。
降解塑料是塑料家族中的一員，對它既要求在用前保持或具有普通塑料的特性，而用后又要求在自然環(huán)境條件下快速降解。穩(wěn)定與降解本是一對矛盾，而要求它在同一產(chǎn)品不同階段實(shí)現(xiàn)，難度很大，是集合尖端高新技術(shù)的材料。
降解塑料由于它具有易降解功能，只適于特定的應(yīng)用領(lǐng)域和某些塑料產(chǎn)品，如一次性包裝材料、地膜、醫(yī)用衛(wèi)生材料等。這些產(chǎn)品受污染嚴(yán)重，不易回收，或即使強(qiáng)制收集利用價(jià)值不大，效益甚微或無效益。
當(dāng)前市場所見的相當(dāng)部分降解塑料屬崩壞性降解，尚不能快速降解和完全降解。它在一定環(huán)境條件下和一定周期內(nèi)可劣化、碎裂成相對較易被環(huán)境消納的碎片（碎末），再經(jīng)過很長時(shí)間，能降解，但降解的速度遠(yuǎn)趕不上廢物產(chǎn)生的速度。完全生物降解塑料在一定環(huán)境條件下，能較快和較完全生物降解成CO2和水，它與堆肥化處理方法相結(jié)合，作為回收利用的補(bǔ)充，被認(rèn)為是治理塑料包裝廢棄物污染環(huán)境的好辦法，是當(dāng)前國際上的開發(fā)方向。
生物降解塑料（BDP）是指在自然界中能被酶或微生物（如細(xì)菌、霉菌和藻類）及其分泌物分解利用（包括高分子化合物及其配合物）的材料。
生物降解塑料的降解機(jī)理，即生物降解塑料被細(xì)菌、霉菌等作用消化吸收的過程，大致有3種方式：
生物的物理作用——由生物細(xì)胞的生長而使物質(zhì)發(fā)生機(jī)械性毀壞；
生物的化學(xué)作用——微生物對聚合物的作用而產(chǎn)生新的物質(zhì)；
酶的直接作用——微生物侵蝕部分導(dǎo)致塑料分解或氧化崩裂。
BDP是高分子化學(xué)結(jié)構(gòu)等分子層次的研究。其研究無論從地球環(huán)境保護(hù)的實(shí)際角度，或從開發(fā)取之不盡的可再生資源角度，還是從合成高分子的學(xué)術(shù)研究角度都具有重要的意義。但對生物降解塑料的研究在一開始就遇到了困難，盡管如此，作為21世紀(jì)高新技術(shù)，歐美日等發(fā)達(dá)國家仍投入了大量人力、資金進(jìn)行研究。
BDP的合成方法主要有微生物產(chǎn)生法、化學(xué)合成法（摻混法）和天然高分子改性法等三大類。各類BDP雖均具有良好的生物降解性能，但近年來從原料來源和可持續(xù)發(fā)展的概念，又分為生物基聚合物和生物降解聚合物兩大類。
生物基聚合物是由可再生資源（如淀粉、秸稈等）、二氧化碳、生物聚合物（核酸、多糖、聚酯、聚異戊二烯類、多酚及他們的衍生物、混合物和復(fù)合物等）為原料制得。開發(fā)生物基聚合物的出發(fā)點(diǎn)是由于目前大量使用的石油資源有限，而可再生資源和二氧化碳等來源豐富、價(jià)廉，可滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。即其設(shè)計(jì)主要出發(fā)點(diǎn)是基于可再生資源的可持續(xù)發(fā)展為目的。
而生物降解聚合物是指在一定環(huán)境條件下，可被微生物作用分解成為二氧化碳、水及其所含元素的礦化鹽和新的生物質(zhì)的一類聚合物。由于聚合物被微生物作為營養(yǎng)源而逐步消解導(dǎo)致質(zhì)量損失、力學(xué)性能下降等，其研發(fā)的主要出發(fā)點(diǎn)是治理難以回收利用的塑料廢棄物的環(huán)境污染問題。
目前已有工業(yè)化產(chǎn)品的生物基聚合主要有，聚烴基脂肪酸酯類、聚乳酸-PLA、脂肪族聚碳酸酯、熱塑性淀粉等。生物降解聚合物主要有，聚己內(nèi)酯PCL、脂肪族聚PBS、脂肪族/芳香族共聚酯化學(xué)合成PLA以及它們與天然高分子（淀粉、纖維素）的共混物等。
上述生物降解塑料大部經(jīng)過中試規(guī)模試驗(yàn)，并已進(jìn)入了工業(yè)化生產(chǎn)階段。能力較小的也已建成千噸以上規(guī)模的生產(chǎn)線，如：PBS已建成萬噸級以上的生產(chǎn)規(guī)模；PLA則已建成十萬噸級以上規(guī)模生產(chǎn)線。這些已工業(yè)化的生產(chǎn)線，其工藝條件及產(chǎn)品性能都較穩(wěn)定，技術(shù)已基本成熟。但是當(dāng)前制約其發(fā)展的問題主要是，材料用途的商品化和高昂的價(jià)格使生物降解塑料無法被市場接受。
一、聚乙烯醇（PVA）
聚乙烯醇（PVA）其乙烯結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定，難于聚合。實(shí)際上PVA是由聚醋酸乙烯醇解制得的。得到的PVA開始時(shí)是無定形的，經(jīng)取向后會結(jié)晶，使它具有優(yōu)良的結(jié)晶性，又由于其相鄰分子間有強(qiáng)大的吸引力，使其具有良好的阻透性能。
另一方面PVA是一種多羥基聚合物，由于其結(jié)構(gòu)規(guī)整，分子內(nèi)存在很強(qiáng)的氫鍵，結(jié)晶度高，致使其熔融溫度高于分解溫度，難以熱塑成型。因此PVA薄膜的成型目前主要采用溶液流延涂布法和濕法擠出吹塑法。
二、PVA性能和用途
PVA是聚醋酸乙烯醇解后生成的一種結(jié)晶聚合物，其性能與醇解度、含水量、聚合度有關(guān)。起初PVA主要用于制造合成纖維，20世紀(jì)年代開始用于非纖維應(yīng)用，其中以包裝材料占絕大比重。PVA薄膜作為包裝材料具有以下優(yōu)異的性能及用途。
（1）極好的透明度和光澤性 與其他薄膜相比，PVA膜的透明度和光澤度都非常好。因此常作為纖維制品的包裝膜袋。
（2）非帶電性 各種塑料薄膜都有很強(qiáng)的帶電性，但PVA膜和玻璃紙一樣幾乎不帶電。由于不帶電，其制品不會吸附空氣中的塵埃且印刷適應(yīng)性、裝璜性好，因而常作為印刷和制袋用。
（3）較大的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度 PVA薄膜具有較大的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度，柔軟度和此種強(qiáng)韌度相結(jié)合，對大體積的、容易變形的纖維制品的包裝是非常適合的。
（4）良好的耐油性能 PVA膜同玻璃紙一樣，耐油性極好，能耐幾乎所有油和油脂類的有機(jī)溶劑。因此常用于化工原料及中間體的包裝和油脂類食品的包裝。
（5）極好的氣體阻隔性 在低溫度下，PVA膜具有極好的氣體阻隔性，在干燥環(huán)境條件下，其阻氧率甚至優(yōu)于EVOH和PVDC。因此常用于小雜糧、海鮮干貨、名貴中藥材、煙草及各種香料的包裝。
（6）熱合性與粘接好 PVA膜不但可以熱合，而且可以粘接。熱合時(shí)，熱合溫度與熱合壓力、時(shí)間、薄膜的厚度、樹脂牌號及含水率有關(guān)，一般為150~250℃。因此在桿式密封器、沖擊保護(hù)層、高周波保護(hù)層均可用熱粘著。
（7）透濕性大 PVA的透濕性大，這是PVA膜作為包裝材料的一個(gè)缺點(diǎn)。但另一方面，對于包裝后發(fā)生水蒸氣的物品，在薄膜內(nèi)面不會凝結(jié)霧滴是其優(yōu)點(diǎn)。因此常作為干燥后溫度尚未完全下降的精細(xì)加工織物的包裝。
（8）脫模性和金屬鍍性好 PVA膜對疏水性極強(qiáng)的塑料親和力低，對極性小的各種材料的剝離性能好。PVA薄膜可以在1.5×10-2Pa的真空下鍍鋁，其制品在25℃水中浸泡24h不剝離。因此常在其表面鍍金屬作為復(fù)合包裝材料使用。
（9）水溶性和生物降解性 PVA膜具有很好的水溶性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得知，將純PVA膜在50℃下熱處理10min后放在25℃去離子水中，其完全溶解的時(shí)間為40s。熱處理?xiàng)l件不同，其溶解時(shí)間也不同。一般隨著在高溫下熱處理時(shí)間的延長，PVA膜對水的溶解性能下降，低溫下即使處理很長時(shí)間溶解性能也不會有很大變化。
三、PVA的局限
PVA屬結(jié)晶聚合物，分子中含有大量的羥基，分子間存在很強(qiáng)的作用力，可形成大量的分子內(nèi)和分子間氫鍵，導(dǎo)致熔點(diǎn)很高（230℃）與其分解溫度（240℃）十分接近。另外PVA對水敏感性極大，不經(jīng)改性的PVA很難用熱塑性方法加工，因此大大地限制了其應(yīng)用范圍。
四、PVA改性的技術(shù)突破
PVA改性的目的為加寬其熔融溫度與分解溫度的間距，因此找到能降低其熔融溫度的塑化劑成為解決問題的關(guān)鍵。經(jīng)過系統(tǒng)的研究和試驗(yàn)，北京豐陽塑化工程技術(shù)責(zé)任有限公司通過與大專院校合作，篩選出能降低PVA塑化溫度的塑化改性劑。它通過改變PVA聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，改善了PVA的熱穩(wěn)定性和易水解性，同時(shí)對工藝配方進(jìn)行獨(dú)特改進(jìn)。實(shí)現(xiàn)了在雙螺桿擠出機(jī)上PVA干法熔融造粒，及在通用吹膜設(shè)備上加工單層或多層膜制品，并完成了工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)測試，現(xiàn)已小批量生產(chǎn)。
干法擠出吹塑法設(shè)備簡單，生產(chǎn)能力大，效率高，生產(chǎn)成本低，對儀器設(shè)備和操作人員素質(zhì)的要求不高，成本大大降低，填補(bǔ)了國內(nèi)規(guī)模生產(chǎn)PVA膜技術(shù)的空白。這使得PVA薄膜在包裝上大規(guī)模的應(yīng)用成為可能，并有希望打破進(jìn)口產(chǎn)品對市場的壟斷。同時(shí)，PVA的干法擠出吹塑法也為PVA與淀粉合金化生產(chǎn)全生物降解材料提供了技術(shù)基礎(chǔ)，因此成為PVA/淀粉合金化工藝的核心技術(shù)。
五、PVA/淀粉合金
通過對PVA的易水溶性進(jìn)行改性，提高其耐水性，同時(shí)使其在不同溫度下水溶性可控，從而拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。并在此技術(shù)基礎(chǔ)上，北京豐陽塑化工程技術(shù)責(zé)任有限公司研發(fā)成功PVA/淀粉合金化技術(shù)及成套設(shè)備，該項(xiàng)目以申請發(fā)明專利并已通過了初審，發(fā)明創(chuàng)造名稱：生物降解塑料及其制備方法（申請?zhí)枺?005100664889），擁有了自主知識產(chǎn)權(quán)。
1、PVA/淀粉合金化工藝技術(shù)特點(diǎn)
PVA/淀粉合金化工藝技術(shù)線路是以PVA改性技術(shù)（干法擠出吹塑法）為基礎(chǔ)，將淀粉與改性PVA通過雙螺桿擠出機(jī)熔融擠出造粒制得專用料后，再在通用設(shè)備上生產(chǎn)全生物降解制品。
PVA/淀粉合金化的關(guān)鍵在于：PVA的可加工溫度須高于它的熔融溫度。PVA熔點(diǎn)較高，且與熱分解溫度相近，容易在低于其軟化點(diǎn)溫度下發(fā)生熱分解，較難熱塑加工。為保證在雙螺桿擠出機(jī)擠出過程中有足夠的溫度調(diào)節(jié)區(qū)間，使得在該溫度區(qū)間內(nèi)PVA不發(fā)生降解，物料保持所需的流動性和剪切力，可以達(dá)到預(yù)期的摻混速度與混勻程度，并得到淀粉和PVA之間形成分子級的互穿網(wǎng)絡(luò)。因此，需要將PVA在塑化劑溶液中進(jìn)行預(yù)增塑處理，以降低其熔點(diǎn)。預(yù)增塑處理時(shí)，物料中的含水量通?？刂圃赑VA重量的15~40%，以免PVA完全溶解。
由于熔體的粘度很大，混合緩慢，且不易均勻，所以混勻程度取決于溫度、剪切力及時(shí)間三個(gè)條件的共同作用。此外，擠出機(jī)有排氣裝置，以便調(diào)節(jié)物料的含水量。
2、PVA/淀粉合金結(jié)構(gòu)特性
（1）基本性能　　淀粉和改性PVA共混制得的塑料合金，因此可以發(fā)揮各成分之優(yōu)點(diǎn)?！　、傩螒B(tài)學(xué)——形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的均質(zhì)塑料合金。
②流變學(xué)——主要成分淀粉不具熱塑性，流動性，不能熔融成型。加入改性PVA制得的合金具有良好的流動性，可熔融成型，同時(shí)也具有良好的延伸性，可真空成型?！　、勰退?mdash;—淀粉在冷水中糊化，在溫水中溶解。合金雖具有親水性，但不溶于水，薄膜在常溫（30℃左右）水中膨潤而不迅速溶解，一般能保持產(chǎn)品形狀7天?！　、芰W(xué)性能——淀粉薄膜強(qiáng)度極低，而制成合金后，其強(qiáng)度幾乎與PE相當(dāng)。
⑤電性能——不導(dǎo)電，表面電阻率為10Ω·cm，摩擦帶電小。　?、弈突瘜W(xué)品性能——能耐油及其它化學(xué)藥品，具有良好的耐光性、阻氧性和印刷性等。
⑦燃燒性能——燃燒時(shí)不產(chǎn)生有毒氣體和煙霧，熱值為6000kcal/kg。
⑧具有環(huán)境保護(hù)適應(yīng)性。垃圾堆埋可生物降解，焚燒時(shí)無有害氣體產(chǎn)生，可堆肥化利用。
⑨價(jià)格低廉。
（2）生物降解性　　PVA/淀粉合金的主要成分為淀粉與聚乙烯醇，兩者均可被微生物完全降解，因此屬于完全生物降解型塑料，其生物降解性能是真正符合環(huán)保的要求?！　∫运苄訮VA為主要原料生產(chǎn)的PVA/淀粉合金薄膜，使用后置于室外或野外，經(jīng)幾次雨水沖刷后就能完全溶解而隨雨水流走，參與到自然界的循環(huán)中。其水溶物無色、無味、無毒、無害，滲入土壤還可作為土壤改良劑，特別適合沙土改造。淀粉在自然界中可生物分解,而PVA在自然界可以通過水解和生物降解兩種途徑分解，分解產(chǎn)物為H2O和CO2。
（3）PVA的安全性
通過對比實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，與聚烯烴塑料相比，PVA完全生物降解速度要比聚烯烴塑料快300~500倍。對各種可生物降解高分子材料進(jìn)行篩選研究表明，在大品種合成高分子材料中，PVA是具有實(shí)用性生物降解性能的材料。PVA生物耗氧量（BOD）比淀粉小得多，把PVA產(chǎn)品進(jìn)行生物降解5天后，測得的BOD量低于起初BOD總量的1%。經(jīng)過生物試驗(yàn)證明：PVA既無毒，也不會阻止微生物的生長繁殖，對廢水處理和環(huán)境衛(wèi)生沒有影響。
3、PVA/淀粉合金成套設(shè)備　　由北京豐陽塑化工程技術(shù)責(zé)任有限公司自行研制開發(fā)的PVA/淀粉合金成套設(shè)備，長徑比52:1，制備PVA/淀粉合金化的同向高速雙螺桿擠出機(jī)，每小時(shí)生產(chǎn)PVA/淀粉合金50kg~70kg。該設(shè)備的研制成功開創(chuàng)了我國PVA/淀粉合金機(jī)械的先河。工藝與生產(chǎn)設(shè)備一體化技術(shù)成果，為PVA/淀粉合金產(chǎn)業(yè)化提供了可靠的保障。
六、產(chǎn)品市場前景
目前已具工業(yè)化生產(chǎn)條件的產(chǎn)品除了生產(chǎn)全生物降解專用粒料外，還有垃圾袋、購物袋、透明包裝、危險(xiǎn)品小包裝袋、速溶小包裝袋以及工業(yè)包裝膜（袋）等。
（1）垃圾袋、購物袋
用于制備垃圾袋或購物袋，要求有一定使用周期。因此采用PVA-1797改性與淀粉各50%，經(jīng)上述工藝吹膜制得的各類膜制品，該類膜制品在常溫（30℃左右）水中膨潤而不迅速溶解，一般能保持產(chǎn)品形狀7天。該類膜制品物理性能與普通PE膜相當(dāng)，且具有高于普通PE膜的阻透性能和抑臭性能，用于盛裝垃圾，可以防止垃圾廢液或異味泄漏。由于PVA/淀粉膜帶電低于普通PE膜，其制品不易吸附空氣中的塵埃，印刷適應(yīng)性、裝璜性好。使用后，回到垃圾場或堆肥場中，在常溫條件下，一周后可慢慢溶化降解，3個(gè)月內(nèi)可全部與土壤同化?！　。?）透明包裝
經(jīng)上述工藝吹膜制得的各類膜制品，該類膜制品物理性能與普通PE膜相當(dāng)，且具有很高的透明性。另外，PVA/淀粉合金膜的透濕性大，具有對于包裝后發(fā)生水蒸氣的物品，在薄膜內(nèi)面不會凝結(jié)霧滴的優(yōu)點(diǎn)。因此可作為干燥后溫度尚未完全下降的精細(xì)加工織物的包裝。使用后，回到垃圾場或堆肥場中，3個(gè)月內(nèi)可全部與土壤同化。
（3）危險(xiǎn)品小包裝袋
利用PVA/淀粉合金膜的優(yōu)異的阻透性能，用于制備包裝農(nóng)藥、化肥等有毒物質(zhì)以及醫(yī)院病人衣物等一次性包裝袋，可避免與人直接接觸導(dǎo)致中毒或被污染。用于制備此類包裝袋要求即要有一定使用周期，又要求能較快降解，該類膜制品可以在常溫（30℃左右）水中溶解，使農(nóng)藥或化肥均勻的得到釋放。
（4）速溶小包裝袋
目前國內(nèi)外許多洗衣場均是直接將洗滌用品與外包裝一起投放的洗衣設(shè)備中，這要求其包裝迅速溶解而沒有任何殘留，因此采用PVA-788改性與淀粉各50%，該類膜制品可以在冷水中就可以迅速完全的溶解，無任何交聯(lián)物殘留。
（5）工業(yè)包裝膜（袋）
用作工業(yè)包裝膜（袋），采用PVA-1795或PVA-1797改性與淀粉各50%，經(jīng)上述工藝吹膜制得的各類膜制品。PVA/淀粉膜的透濕性大，對于包裝后發(fā)生水蒸氣的物品，在薄膜內(nèi)面不會凝結(jié)霧滴是其優(yōu)點(diǎn)，起到防潮作用。由于PVA/淀粉膜不導(dǎo)電，可以對包裝的電器產(chǎn)品起到保護(hù)作用。使用后，回到垃圾場或堆肥場中，在常溫條件下，一周后可慢慢溶化降解，3個(gè)月內(nèi)可全部與土壤同化，適當(dāng)增加溫度，可加速溶解。