玉米材料.doc

1世博会上的“玉米塑料”“科技世博、生态世博”是上海世博会筹备工作遵循的重要理念。已经开工建设的世博园区中，新技术、新创意、新能源、新材料被大量采用。整个世博会将通过一连串的建设，努力营造一个“蓝天白云，水清地绿”的良好生态环境，最终体现“城市，让生活更美好”的主题。新材料应用无所不在。节能、环保、高效新材料的应用是上海世博会的一大亮点，也是化工人的骄傲。用大豆纤维制成的智能LED帷幕、能实现冷热智能调节的温控玻璃镀膜即将开幕的上海世博会，不仅会带给人们一场感官盛宴，也将成为许多新型材料的“用武之地”。世博会期间的一次性餐具将用生物质材料“玉米塑料”制成。不仅是一次性杯子、托盘、包装盒，世博会上使用的路牌、胸卡、磁卡等也是由源于玉米的聚乳酸材料制成，彰显了绿色理念。玉米塑料是生物降解塑料，其成分为聚乳酸（polylactic acid ,简写为PLA），由玉米粉发酵产生乳酸，再经化学合成方法而得到。聚乳酸是世界上第一种100% 用玉米制造的高分子。Cargill Dow LLC 因此项技术获得了美国环保署（EPA）2002 年度的AlternativeSolvents and Reaction Conditions Award（创新溶剂和反应条件奖）。据报道，美国LLC公司生产聚乳酸工艺为：首先把玉米磨成粉，分离出淀粉，再从淀粉中提取出原始的葡萄糖。再用乳酸杆菌厌氧发酵，发酵过程用液碱中和生成乳酸，发酵液经净化后，用电渗析工艺，制成纯度达995的L 一乳酸。再把提取出来的乳酸制成最终的聚合物 聚乳酸。关键词：玉米塑料；聚乳酸；绿色化学一、 聚乳酸的优点及应用饱含淀粉质的玉米经过现代生物技术可生产出无色透明的液体乳酸，再经过特殊的聚合反应过程生成颗粒状高分子材料聚乳酸。从玉米中提取的聚乳酸颗粒称为“玉米塑料”，可代替化工塑料粒子，根据不同需要制成建筑墙体板材、包装材料、纺织面料、日用器具、农用地膜、地毯、医用材料、汽车内饰和家庭装饰品等。由这种生物高分子材料制成的物品，废弃后可采用堆肥填埋处理，在自然界微生物的作用下彻底分解为水和二氧化碳，并可当作有机肥施入农田成为植物养料。学名叫做“聚乳酸”的“玉米塑料”经过8年研发、1年产业化放大，终于走出了同济大学实验室，目前进入了工业化试生产阶段。这种能全部降解的生物环保材料可全面取代化工塑料，被视作继金属材料、无机材料、高分子材料之后的“第四类新材料”，在社会和经济发展中具有重要战略意义。 从玉米中提取的液态乳酸及其生成的聚乳酸颗粒，还有用“玉米塑料”制成的杯碗瓢盆和一次性餐具等，各种产品色泽温润，手感比传统塑料制品更加柔和。项目领军人物、同济大学专攻高分子材料的任杰教授向记者介绍说，要将这项生物和材料高科技成果转化为产业，必须降低生产成本，使市场能普遍接受。在历经8年潜心攻关后，研究人员终于通过“一步法”制取聚乳酸，得到了理想的生产成本,目前全球只有美国一家公司能生产聚乳酸，由于生产工艺采用“二步法”，使其生产成本居高难下，每吨售价在3000美元左右，取代传统化工塑料困难重重。而通过生物工程技术和高分子合成技术有机结合，“一步法”将乳酸合成为聚乳酸粒子，生产成本大大降低，出厂价约在万元人民币左右一吨，接近化工塑料粒子的价格，由此，“玉米塑料”具备了推广应用和产业化的条件。 聚乳酸的优点主要有以下几方面：（1）生物可降解性良好。聚乳酸使用后能被自然界中微生物完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境，对保护环境非常有利。（2）机械性能及物理性能良好。聚乳酸适用于吹塑、热塑等各种加工方法，加工方便，应用十分广泛。PLA 本身属脂肪族聚酯，具有通用高分子材料的基本特性，可用于包装材料、家电外壳或作为可降解纤维材料。PLA 可以替代部分聚乙烯和聚丙烯的应用，广泛应用于塑料的各种成型加工。例如：塑料容器，杯子、盘子、食品容器（盒）、液体容器（瓶、桶）、餐具（刀、勺、叉）、包装膜、塑料袋、发泡塑料（容器、包装材料）、地膜、纺织（服装、无纺布）等。PLA 材料的透明度和光泽很好，有利于展示被包装物品的特性，阻气阻水性好，印刷方便，其优异的性能决定了它将在包装市场上占有重要地位。（3）相容性与可降解性良好。聚乳酸在医药领域应用也非常广泛，如可生产一次性输液用具、免拆型手术缝合线等，低分子聚乳酸作药物缓释包装剂等。医疗器材方面由于PLA 比起其他常用高分子材料，具有独特的生物兼容性和生物降解性，因而能作人造骨折内固定物（代替金属固定物，免除二次手术）、缓释材料、手术缝合线、组织修复材料等方面使用。技术附加值高，因而是目前聚乳酸主要的市场，也是医疗行业应用广泛，最有发展前景的高分子材料。且因其原料为可再生的生物资源，世界公认的新世纪最有发展前途的新型环保、可持续发展材料。二、 聚乳酸的制备方法聚乳酸生产是以乳酸为原料，传统的乳酸发酵大多用淀粉质原料，目前美、法、日等国、家已开发利用农副产品为原料发酵生产乳酸，进而生产聚乳酸。由乳酸制聚乳酸生产工艺有：（1）直接缩聚法，在真空下使用溶剂使脱水缩聚。（2）非溶剂法，使乳酸生成环状二聚体丙交酯，在开环缩聚成聚乳酸。由乳酸制造PLA 可采用两种工艺，一种是直接缩聚法，即在真空条件下，采用溶剂使之脱水缩聚。该法简单，但得到的聚合物分子量较小，一般小于5000。另一种是二步法，也叫非溶剂法，即3 个乳酸分子自行聚合生成丙交酯，再开环缩聚成PLA，这样可以得到分子量较高的PLA。但在此过程中，必须选择专门的催化剂和引发剂；同时，丙交酯必须经过提纯，否则难以获得分子量较高的聚合物；此外为了防止副反应，还要采用惰性气体。聚合物的性质还受到聚合工艺的影响，其中L乳酸比例越高，则PLA 的结晶程度高，有明显的、较高的结晶温度，L乳酸比例越低，则PLA 的结晶程度越低，逐渐成为无定型结构，没有固定的熔点，熔点越来越低，因此PLA 的熔点可从171向60变化，强度等机械物理性质也会变化，树脂的透明度也会变化。一般的，用于聚乳酸合成的L乳酸的光学纯度需达到92左右。三、 聚乳酸生产中的绿色化学概念绿色化学是当今国际化学化工研究的前沿，它吸收了当代化学、物理、生物、材料、信息等科学的最新成果和技术，从根本上来减少或消除化学产品的设计、生产和应用中有害物质的使用与产生，使所研究开发的化学产品和工艺过程更加环境友好。因此绿色化学的浪潮席卷全球，绿色化学理论的研究，绿色化学技术的开发，正成为人们关注的热点。绿色化学是具有明确的社会需要和科学目标的新兴交叉学科，经过10 多年的探索和研究，已总结出一些理论和原则，这就是PTAnastas 和JCWarner 所倡导的绿色化学12 原则，以玉米为原料合成聚乳酸的工艺过程很好体现绿色化学的基本原则。防止污染优于污染的治理。聚乳酸的原料是玉米淀粉，生产过程选用发酵法，不产生对环境有副作用的物质，并且乳酸，聚乳酸都可在自然环境中很快的降解而进入自然循环。这在源头和产业链的末端都极大了减少了污染，真正做到了防止污染而不是先污染后治理。提高合成反应的“原子经济性”。传统的基于石油的化学合成法因为要通过多个合成步骤，因此原料的化学结构要经过多次的改变，不符合绿色化学的原子最大利用率的概念。而聚乳酸的生成过程中因为采用的发酵工艺，淀粉中的原子可以最大程度转移到聚乳酸中。在合成过程中，尽可能不使用和不产生对人体健康和环境有害的物质。相比较于化学法合成乳酸使用用原料为乙醛和剧毒物氢氰酸，催化剂也多有化学毒性，以淀粉作为原料合成乳酸，不产生有毒的副产物，并且可循环使用。设计安全的化学品。乳酸也是人体代谢产生的，并且可参与自然的循环过程，对人体无毒。聚乳酸本身是生物相容性的，可直接应用于人体。使用无毒、无害的溶剂和助剂。发酵法合成乳酸，没有使用有毒的溶剂和助剂。合理使用和节省能源。乳酸的生产采用生物发酵的方法，温度较低，相比较于石油来源的单体，能耗大大较低。聚乳酸的熔点较低，加工过程相比较于传统的石油基塑料的生产，玉米塑料的的生产过程能耗低。尽可能利用可再生资源。玉米塑料的原料是可再生资源，并且聚乳酸最终可以被分解成二氧化碳和水，进入自然循环。尽可能减少不必要的衍生步骤；化学法合成塑料工艺复杂并且要进行多步反应，而发酵法合成乳酸，生产工艺温和，工艺简单。采用高选择性的催化剂；发酵法合成乳酸，可以通过选择不同的菌种，生产出高度立体选择性的乳酸单体，避免了进行单体分离纯化的工业步骤。设计可降解的化学品；乳酸和聚乳酸都可在自然环境下降解，并且降解周期比较短四、 玉米塑料的利与弊塑料作为四大基础材料之一，因其质地轻、加工方便、美观实用，深受人们青睐，广泛用于各行各业。2005 年中国的塑料产量达到4500 万吨，居世界前列。塑料的出现给我们的生产和生活带来了极大的便利，同时，因塑料导致的“白色污染”问题也日益严重。一边是塑料制品对人类生产和生活的深度渗透，一边是历经千年而无法降解的“白色污染”。在环保呼声高涨、市场需求渐如果说“玉米塑料”可以缓解石油危机，这并非信口开河。“玉米塑料”的环保意义首先就表现在对资源的节约上。1. 缓解石油消耗压力众所周知，塑料的生产要消耗大量的石油。世界每年用于制造塑料的石油消耗量占到石油年产量的4%，大约是1.36亿吨石油。而生产1吨化工塑料也需要消耗3吨石油，按全球化工塑料年产量3000万吨来计算，全球仅生产化工塑料一年就需消耗1亿吨石油。石油属非再生性能源,人类目前正在以每秒1000 桶的速度从地下抽取石油。专家警告,以这样的消耗速度,地球上现存的石油最多能供人类使用50 年。玉米塑料开拓了石油以外的化工原料来源,与传统的化工塑料制法生产1 吨聚乙烯需使用10 吨原油相比,玉米塑料不仅环保、无公害,而且仅化石燃料就可节约68 %。如果将加工塑料所用的石油换成玉米，那么就可以在一定程度上缓解石油危机。据业内人士介绍，目前全球每年的玉米库存量达到1亿吨左右，如果全部拿出来生产“玉米塑料”，“玉米塑料”的年产量将在3000万吨左右，相当于全球一年的塑料需求量。随着科学技术的不断完善,玉米塑料将会成为塑料产业的主力军,意味着塑料产业对石油的需求会不断减少,缓解了日益严重的石油危机。这也启发我们是否可以利用生物化学技术把富含油脂、糖类的其他农作物转化为生物柴油生物汽油等新型生物能源,再加上传统替代能源的开发,如风能、太阳能、氢能、核能的利用,使材料和能源领域彻底摆脱对化石资源的依赖,真正走上一条绿色环保可持续发展的道路。2 改善自然环境,减少温室气体的排放传统化工塑料来自于石油化工产品,石油炼制是一个耗能且排放温室气体和其他污染物的过程。相比较而言,玉米塑料的生产以大规模玉米等农作物的种植为前提,玉米种植可以防止因土地荒弃而造成的土壤沙化,同时玉米的生长过程又是绿色植物利用光合作用吸收二氧化碳释放氧气的过程。有学者提出,相对于化工塑料,玉米塑料少用了50 %的石油原料,减少了40 %的温室气体排放。废弃的玉米塑料制品不会对环境造成压力,自行降解为二氧化碳和水后可再次参与光合作用。在玉米塑料的整个“生命历程”中实现了物质的循环和空气的净化,是真正意义上的绿色环保型可再生资源。3. 玉米塑料可能产生的不利影响当然，虽然用玉米取代石油作为合成高分子原料有环保和节能上的优势，但是也存在一定的问题。首先是生物法生产聚乳酸的效率不高，工业化规模难以扩大。其次，若将玉米成为高分子的主要原料，势必消耗掉数量巨大的粮食，而世界上还有相当一部分人口仍未解决温饱问题，这一状况将随着玉米等粮食在塑料生产中的大量消耗而加剧。另外，随着世界上大多说国家工业化、城市化进程的进行，耕地面积不断减少，玉米塑料的生产将对耕地面积提出更高的需求，可能导致围湖造田，伐林开垦死灰复燃，而对生态环境造成一定的破坏。五、玉米塑料市场前景透视随着“玉米塑料”制品性能的逐步稳定，其市场也会随着相关行业链条的完善而逐步扩大。从2005年11月1日开始，零售业巨头沃尔玛开始在美国的3779家沃尔玛超市和邻近国家的沃尔玛超市，使用“玉米塑料”作的食品包装，这种“玉米塑料”由美国Nature Works公司生产。据悉，这项包装计划还将在未来几年内扩展到全球的沃尔玛超市。虽然“玉米塑料”的价格高于化工塑料，但可以降低塑料食品包装致癌的可能性，从市场营销的角度来看，沃尔玛的换装之举颇为明智。这也就意味着环保、安全的“玉米塑料”将迎来其真正的市场机遇期。其实，“玉米塑料”产业的发展，其意义不仅仅体现在环保方面，把玉米等植物作为原料，从根本上解决了化工塑料源于石油，原料易枯竭的困境。用植物作原料，其最终的分解物仍然可以回归自然，不会对周围环境产生危害，其生产、使用、分解的过程就构成了一个闭路循环。随着“玉米塑料”产业的发展，玉米等农作物的附加值也会相应得到提升，有助于增加农民的收益。随着生产工艺的进步和技术的提升，“玉米塑料”全面地、大规模地产业化发展在最近几年就可能实现，在若干年之后，困扰人类的“白色