可持续聚合物：面向更清洁未来的智能材料

塑料已成为我们日常生活中不可或缺的一部分，但它们的成功也付出了沉重的代价。每年有数百万吨塑料垃圾污染环境，污染海洋，危及生态系统。为了应对这一趋势，可持续聚合物正日益受到关注。无论是采用可再生原材料制成的生物基聚合物，还是由回收塑料制成的聚合物，它们都具有减少对化石资源依赖并显著降低塑料生产对环境影响的潜力。

生物基聚合物全部或部分来源于可再生原料，例如糖、淀粉、植物油、生物质甚至二氧化碳。例如，聚乳酸 (PLA)、聚羟基脂肪酸酯 (PHA)、生物基聚乙烯以及创新型聚呋喃甲酸乙二醇酯 (PEF)。它们通常采用生物技术工艺生产，例如发酵（如玉米淀粉发酵生产 PLA，微生物发酵生产 PHA）、生物单体化学合成（如果糖衍生的 FDCA 合成 PEF）或对现有石油化工工艺进行改造¹。另一方面，再生聚合物则由已使用过的塑料制成，例如通过机械回收（破碎、挤出）或化学回收（分解成单体）。例如，使用 CreaSolv® 工艺² 回收聚苯乙烯，可以回收高纯度的发泡聚苯乙烯 (EPS)。

生物基聚合物主要用于包装（例如PLA薄膜、PEF瓶）、纺织品、技术部件、纤维、薄膜以及各行业的注塑件。其优势在于减少了对化石原料的依赖，同时，在光合作用过程中，生物碳含量得以固定，从而减少了二氧化碳的排放。PEF尤其因其优异的阻隔性能而备受青睐，尤其适用于包装；而PHA和PHB（聚羟基丁酸）则因其热塑性而适用于高品质注塑件。

再生聚合物常用于日用品、包装、保温板，在少数情况下，甚至以高品质再生颗粒或特殊工艺的形式使用。其优势在于节约能源和原材料，并通过避免初级生产来减少废物和二氧化碳排放。

生物基塑料利用生物质作为碳源，在生产过程中减少二氧化碳排放——理想情况下，它们在分解或燃烧过程中排放的二氧化碳量仅与其之前结合的二氧化碳量相同。聚乙烯氟化物（PEF）就是一个很好的例子。可口可乐、达能和ALPLA正在开发生物基PEF瓶，嘉士伯啤酒厂测试了由PEF和木纤维制成的“绿色纤维瓶3”，这种瓶子能更长时间地保持饮料的低温。

聚羟基丁酸酯/聚羟基脂肪酸酯（PHB/PHA）的一个例子是Biomer4，这是一家德国公司，利用可再生原材料生产用于精密注塑成型零件的PHB颗粒。这些颗粒应用于汽车工程、包装和涂料领域。

回收聚合物的一个例子是上文提到的CreaSolv®工艺2。该工艺由弗劳恩霍夫研究所开发，可选择性地溶解聚苯乙烯，并将其回收为高纯度材料。大部分回收塑料用于制造食品、饮料和其他产品的新包装。机械回收的塑料瓶还可以用来生产纺织纤维，这些纤维可用于制作服装、地毯、背包和其他纺织品。另一个不太引人注目的用途是街道家具：长椅、垃圾桶、野餐桌和其他街道家具部件越来越多地采用回收塑料制成。

生物基聚合物市场近年来持续显著增长。2023年，全球生物基聚合物产量约为440万吨——尽管这仅占全球聚合物市场约1%，但增长势头强劲⁵。据预测，到2028年，生物基聚合物的年均复合增长率（CAGR）将达到17%左右，远高于传统化石基聚合物2%至3%的增长率。推动这一发展的主要因素包括日益增长的可持续性要求、政策支持以及行业认可度的提高。从区域来看，亚洲目前占据全球最大产能份额，约占55%，其次是北美（约占19%）和南美（约占13%）。欧洲也占约13%的份额，但其市场份额在国际比较中正在下降——这主要归因于缺乏政策支持和相对较高的生产成本⁶。尽管有针对性的法律措施正在促进美国和许多亚洲国家的扩张，但欧洲的框架条件相对缺乏活力，这可能会在长期内削弱其竞争力。某些类型的聚合物，例如聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）、生物基聚丙烯和新型酪蛋白聚合物，目前正经历着特别高的增长率。在某些情况下，预计年增长率可高达40%。原材料供应似乎也较为稳定：糖、淀粉、甘油和植物油是大多数生物基塑料的基础原料。从全球范围来看，生物基塑料所需的生物质占比很低——即使市场进一步增长，它也仅占农业总用量的一小部分。

未来，新型生物基单体，例如FDCA（用于生产聚醚醚酮，PEF）或蓖麻油衍生物（作为石油化工增塑剂的替代品），有望拓展产品范围。与此同时，世界各地正在建设新的大型工厂，特别是PLA工厂，其年产能超过16万吨⁷。另一个重要趋势是生物经济与循环经济的结合：其目标不仅在于高效利用生物质，还在于在闭环材料循环中多次重复利用生物质。这也使得生物基材料与回收工艺的结合成为关注焦点，以进一步改善碳足迹。

对于生物基塑料而言，制造商、买家和认证机构都必须了解可再生原材料的实际比例。元素分析能够精确测定材料碳含量中生物来源的比例。这使得“50%生物基”或“100%来自可再生原材料”等说法能够得到科学的证实。

对于再生聚合物而言，确保材料纯度至关重要。元素分析可以量化催化剂、添加剂或填料等残留物。这有助于判断再生颗粒是否适用于高质量应用，或者是否需要进一步的清洁步骤。

在新型生物基聚合物的材料开发和研究中，元素分析有助于检测原型材料的化学成分，并将其与目标值进行比较。此外，还可以通过这种方法检测由老化、紫外线辐射或热应力引起的变化。此外，越来越多的市场要求提供塑料的来源、成分和环境影响方面的证明。元素分析能够提供客观、可重复的测量结果，可作为环境证书、生命周期评估或法律合规性测试的基础。

生物基和再生聚合物是构建更可持续塑料行业的关键组成部分。它们兼具资源节约、减少二氧化碳排放和创新材料特性等优点，应用范围涵盖包装、技术应用和特种产品等领域。在技术创新和地方政府扶持计划的推动下，生物基和再生聚合物市场增长速度远超传统塑料市场。