近年来,生物基聚酯材料的研究和应用取得了显著进展,市面上已有商业化产品,但仍面临成本、性能和加工等方面的挑战。相信随着技术的进步和行业的发展。在我国“双碳”战略背景下,生物基聚酯材料作为一种环保材料,具有独特的全生命周期减碳优势,对于减少碳排放、促进可持续发展具有重要意义。
生物基聚酯材料主要来源于可再生生物质资源,如玉米、甘蔗、甜菜等农作物,以及木材、稻草等农业废弃物和废纸等。与传统聚酯材料相比,生物基聚酯材料可明显减少对化石燃料的依赖,同时在生产过程中也减少了温室气体排放;此外,大部分生物基材料具有可降解性,在使用后可自然分解,可避免对环境造成白色污染。
生物基聚酯材料概念的由来:
高分子材料,又称聚合物,是当今世界广泛使用的一种非金属材料,可通过石油衍生的中间体合成获得,同时,根据不同配方能配制成各种材料,在各行各业都得到了大规模应用。其中,聚酯材料是由多元酸和多元醇作为单体,通过分子间的酯化反应得到的主链中含有酯基的一类高分子材料。
聚酯材料的主链结构和取代基的不同以及聚合度的差异等都能影响最终产品的理化性质和力学性能,因此,不同类型的聚酯材料在工程塑料、聚酯纤维、聚酯薄膜等多个领域获得了广泛的应用,需求巨大。
生物基材料(Bio-based material)则是近年来提出的概念,根据美国环境保护署的定义,通常是指主要由源自生命物质的一种或多种物质组成的产品。许多常见材料如纸张、木材和皮革等,都可以称为生物基材料,其概念的重点在于碳结构单元的来源而非其循环寿命结束时的最终位置。
在工业领域,生物基材料通常是指经过更广泛加工的各类现代材料,通过各种手段如化学合成或者生物合成将生物质成分(如木质素、纤维素、淀粉、多糖和植物油等)转化为增值产品,例如,生物基塑料、生物基纤维、糖工程产品、生物基橡胶以及生物质热塑性材料等。生物基材料被认为是比石油基材料的环保替代品。
近年来,各种新型生物基材料不断涌现,其应用场景的探索正逐渐拉开序幕。目前,多数已商业化的聚酯材料,例如聚对苯二甲酸乙二醇酯/涤纶聚酯(PET)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、聚碳酸酯(PC)等,其单体原料通常是化石碳加工的直接产品。
研究预计,到2050年,聚合物产量将达到全球化石燃料消耗量的20%。石油资源日益紧张,对石油资源的大量消耗不符合可持续发展理念,于是合理利用生物质资源,通过生物及化学手段获得聚酯单体及其潜在替代品已经成为解决方法之一。
生物基高分子材料也是生物基材料发展的重点方向之一。其生产方式既可以是从生物质中直接提取,修饰制作成生物质聚合物产品;也可以是解构或者提取出单体,经过修饰或者不修饰,最终聚合获得的高分子产品。
生物基聚酯材料的发展:
聚酯材料分类众多,其中使用最广泛的应数聚对苯二甲酸乙二醇酯,商品名通常为涤纶聚酯,简称为PET,是一种透明、坚固且轻质的热塑性塑料,最初由杜邦公司于1957年推出,目前全球每年从石油中生产超过8200万吨。PET产品通常分为纤维、瓶片和薄膜等三种形态,覆盖服装、食品包装和电子器件包装等多个领域。
需要注意的是,PET的生产不仅消耗了大量的能源,生产过程中产生的CO2也会导致温室效应,并且消费过程中产生的废弃物还会对环境造成污染,有文献报道PET在环境中持续存在的时间超过400年。因此,双碳背景下,对可替代PET的生物基聚酯材料的开发日益增多。
需要说明的是,在讨论生物基聚酯材料时,通常都绕不开可降解材料的概念,即能在自然环境中被微生物、光照、水或其他因素分解的材料。目前,热门的可降解塑料材料产品为聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT),但从源头端来说,仍是使用石化产品制成的,属于石油基可降解材料。
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