玉米塑料——第四类化学新材料

玉米塑料——第四类化学新材料

摘要玉米塑料作为一种新型生物质材料，因其优越的性能被誉为“第四类化学新材料”，本文试从玉米塑料的研发、生产意义及应用前景等方面加以介绍。

关键词玉米塑料化学新材料生物降解

在2005年日本爱知世博会上展出了一种用新材料制作的一次性餐盒、水杯、食品包装袋，该物品使用后在自然界微生物的作用下，可在较短的时间内完全降解为二氧化碳和水，对周围的土地和大气不产生任何污染。这种可降解型新材料就是被人们称作继金属材料、无机非金属材料、高分子材料之后的“第四类化学新材料”玉米塑料。玉米塑料，学名“聚乳酸交酯”（Polylactide），是以玉米等富含淀粉的农作物为原材料，经过一系列生物化学技术处理后得到的一种高分子化合物。玉米塑料除具备化工塑料同样的物理性能外，它无毒无公害，是一种纯生物质塑料，可被广泛应用于包装、医疗、纺织等多个领域。产品能自然降解为水和二氧化碳，又被绿色植物通过光合作用吸收再次合成淀粉。从理论上实现了物质的循环利用，从自然中来到自然中去，这就是玉米塑料的“生命历程”。

1 玉米塑料的发展历程

追溯玉米塑料的起源，应该是在20世纪70年代的全球石油危机以后，人们意识到石油资源的不可再生性，各国科研机构和化学公司纷纷在资金和技术上向再生性能源的开发和利用领域转移，希望通过科学与技术的整合找到一种可再生性资源以摆脱当前面临的石油危机。化学家开始在实验室里探索如何使玉米、高粱、小麦等富含淀粉的农作物经过发酵、水解、提纯、缩聚等一系列生物化学操作过程，转化为具有传统化工塑料性能的生物塑料。经过十几年的研究，美国的卡吉尔—陶氏公司（Cargill—Dow）即现在的Nature Works公司的科学家们共同研制出了“二步法”生产玉米塑料的工艺。

所谓的“二步法”是将玉米经过发酵处理制成乳酸(CH3CHOHCOOH)，然后将乳酸制成中间体内交酯，再经开环聚合成聚乳酸。Nature Works公司是目前全球最大的玉米塑料生产基地，其产品物理性能基本达到化工塑料水平，只是由于技术原因，目前玉米塑料的售价在2000美元／吨，而化工塑料的售价约为1000美元/吨［1］。从商业价值来看，居高不下的技术成本和复杂的生产工艺流程使得玉米塑料暂时难以在大众生活中普及应用。

我国是世界上第二玉米生产大国，同时也是一个能源和原材料消耗大国，在

寻找替代能源和新材料方面一直都在紧跟世界科技前沿，玉米塑料合成技术的研发方面已处于领先地位。2005年6月15日美国Nature Works公司在北京举办的绿色材料与绿色奥运国际研讨会上宣布，他们将以2008年北京奥运会为契机与中国企业合作，加快玉米塑料在中国的推广应用。由农作物发酵制乳酸并不是什么高科技，但是却对专业技术要求非常高，农作物中的淀粉水解成葡萄糖后，在乳酸菌的作用下分解为DL乳酸，这是一种外消旋的乳酸，而制备聚乳酸必须使用高光学纯度的L乳酸，对混合物的分离提纯是大规模生产L乳酸的技术难题［2］。20005年7月，上海同济大学的纳米与生物高分子材料研究所所长任杰教授对外宣布，他研究成功的玉米塑料“一步法”生产工艺已经开始产业化，其L乳酸生产工艺流程为：玉米粉碎→调浆→液化→发酵→过滤→脱色→离子交换膜过滤→浓缩→短程蒸馏→L乳酸［1］。所谓的“一步法”就是将通过生物工程和高分子合成技术得到的L乳酸不经过中间体内交酯，而是直接一步缩聚成聚乳酸，简化了“二步法”的生产工艺，自然降低了玉米塑料的生产成本。

“一步法”生产的玉米塑料售价仅为1000美元/吨，和化工塑料处于同一价位，技术的进步改变了玉米塑料因生产成本居高而无法普遍使用的命运。鉴于玉米塑料的可降解性和原料的可再生性，任杰教授预言，玉米塑料将在5年内逐步取代化工塑料。可以说玉米塑料是在全球资源日趋紧张、自然环境日益恶化的大背景下进入人们视野的，因其巨大的发展潜力而被人们誉为“第四类化学新材料”，在理论上玉米塑料已经找到了市场生存空间，随着生物化工技术的不断完善，玉米塑料的加工应用必将成为21世纪材料领域最具诱惑力的朝阳产业。

2 玉米塑料生产的现实意义

2.1 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［3］。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。

2.2 缓解石油消耗压力

化工塑料是石油产业的下游产品，世界每年用于制造化工塑料而消耗的石油约为1.36亿吨。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％。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。

2.3 解决陈化粮库存压力，提高农作物附加值

玉米和其他谷物类农作物在存放1~2年后就会产生黄曲霉素和玉米赤霉烯酮等具有极强生殖毒性和致癌作用的物质，变得不能食用，即成为通常所说的陈化粮，进行化学深加工是解决陈化粮的惟一出路。据统计目前全球玉米年库存量为1亿吨左右，如果全部将其用于生产玉米塑料可得3000万吨生物塑料［4］，相当于全球一年的化工塑料需求量，在转化过程中既可增加玉米的附加值又解决了各国政府在处理库存粮积压上的财政重负。

3 玉米塑料的应用前景

3.1 包装领域深受欢迎

传统的包装材料主要成分是聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）和聚偏二氯乙烯（PVDC）。它们在生产过程中都添加了一定量的增塑剂（DEHP），其作用是使塑料变得柔软可塑，增强耐热耐寒性。但随着塑料的老化DEHP会释放到环境中，通过食物链在人体内富集。研究人员发现，DEHP对人体的危害要比预计高的多，长期接触DEHP会对人的内分泌系统和中枢神经系统造成伤害。PVC 和PVDC在使用过程中遇油、高温会释放出VCM（氯乙烯单体），氯代烃已被证实具有致癌作用。而且化工塑料难以降解，会对环境造成永久性伤害，如白色污染带来的土壤板结、水质恶化。这些信息使得人们对化工塑料失去了信心，而玉米塑料的出现使日益关注自身健康和生活环境的人们看到了希望，玉米塑料是纯生物质塑料，无毒无公害，用它制作的包装材料清洁卫生，不会污染食品和环境。世界零售业巨头沃尔玛宣布，从2005年11月1日开始，所有美国的沃尔玛超市使用玉米塑料食品包装袋，并在未来几年内使这一做法推广到全球的沃尔玛超市［5］。从玉米到乳酸到聚乳酸，再到各种制品，最后自然降解为水和二氧化碳，完成了从自然中来到自然中去的物质循环，所以有人把玉米塑料称作白色污染的“终结者”。

3.2 纺织行业大有作为