塑料包裝材料質輕、強度高，可制成適應性強的多功能包裝材料，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)成為二十一世紀社會與生態(tài)的噩夢。
因此解決塑料的自然降解，使塑料進入生態(tài)良性循環(huán)，解除其對自然與環(huán)境的破壞，成為各國科學家與企業(yè)開發(fā)熱點。
降解塑料的研究開發(fā)可追溯到20世紀70年代，當時在美國開展了光降解塑料的研究。20世紀80年代又研究開發(fā)了淀粉填充型“生物降解塑料”，其曾風靡一時。但經(jīng)過幾年應用實踐證明，這種材料沒有獲得令人信服的生物降解效果。20世紀90年代以來降解塑料技術有了較大進展，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)品不同階段實現(xiàn)，難度很大，是集合尖端高新技術的材料。
降解塑料由于它具有易降解功能，只適于特定的應用領域和某些塑料產(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)品受污染嚴重，不易回收，或即使強制收集利用價值不大，效益甚微或無效益。
當前市場所見的相當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)過很長時間，能降解，但降解的速度遠趕不上廢物產(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合，作為回收利用的補充，被認為是治理塑料包裝廢棄物污染環(huán)境的好辦法，是當前國際上的開發(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理，即生物降解塑料被細菌、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——由生物細胞的生長而使物質發(fā)生機械性毀壞；
生物的化學作用——微生物對聚合物的作用而產(chǎn)生新的物質；
酶的直接作用——微生物侵蝕部分導致塑料分解或氧化崩裂。
BDP是高分子化學結構等分子層次的研究。其研究無論從地球環(huán)境保護的實際角度，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術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世紀高新技術，歐美日等發(fā)達國家仍投入了大量人力、資金進行研究。
BDP的合成方法主要有微生物產(chǎn)生法、化學合成法（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、混合物和復合物等）為原料制得。開發(fā)生物基聚合物的出發(fā)點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、價廉，可滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。即其設計主要出發(fā)點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)源而逐步消解導致質量損失、力學性能下降等，其研發(fā)的主要出發(fā)點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，并已進入了工業(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，技術已基本成熟。但是當前制約其發(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）其乙烯結構很不穩(wěn)定，難于聚合。實際上PVA是由聚醋酸乙烯醇解制得的。得到的PVA開始時是無定形的，經(jīng)取向后會結晶，使它具有優(yōu)良的結晶性，又由于其相鄰分子間有強大的吸引力，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，由于其結構規(guī)整，分子內(nèi)存在很強的氫鍵，結晶度高，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晶聚合物，其性能與醇解度、含水量、聚合度有關。起初PVA主要用于制造合成纖維，20世紀年代開始用于非纖維應用，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性、裝璜性好，因而常作為印刷和制袋用。
（3）較大的拉伸強度和撕裂強度 PVA薄膜具有較大的拉伸強度和撕裂強度，柔軟度和此種強韌度相結合，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，熱合溫度與熱合壓力、時間、薄膜的厚度、樹脂牌號及含水率有關，一般為150~250℃。因此在桿式密封器、沖擊保護層、高周波保護層均可用熱粘著。
（7）透濕性大 PVA的透濕性大，這是PVA膜作為包裝材料的一個缺點。但另一方面，對于包裝后發(fā)生水蒸氣的物品，在薄膜內(nèi)面不會凝結霧滴是其優(yōu)點。因此常作為干燥后溫度尚未完全下降的精細加工織物的包裝。
（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)實驗得知，將純PVA膜在50℃下熱處理10min后放在25℃去離子水中，其完全溶解的時間為40s。熱處理條件不同，其溶解時間也不同。一般隨著在高溫下熱處理時間的延長，PVA膜對水的溶解性能下降，低溫下即使處理很長時間溶解性能也不會有很大變化。
三、PVA的局限
PVA屬結晶聚合物，分子中含有大量的羥基，分子間存在很強的作用力，可形成大量的分子內(nèi)和分子間氫鍵，導致熔點很高（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用范圍。
四、PVA改性的技術突破
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鍵。經(jīng)過系統(tǒng)的研究和試驗，北京豐陽塑化工程技術責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)結構，改善了PVA的熱穩(wěn)定性和易水解性，同時對工藝配方進行獨特改進。實現(xiàn)了在雙螺桿擠出機上PVA干法熔融造粒，及在通用吹膜設備上加工單層或多層膜制品，并完成了工業(yè)化生產(chǎn)技術測試，現(xiàn)已小批量生產(chǎn)。
干法擠出吹塑法設備簡單，生產(chǎn)能力大，效率高，生產(chǎn)成本低，對儀器設備和操作人員素質的要求不高，成本大大降低，填補了國內(nèi)規(guī)模生產(chǎn)PVA膜技術的空白。這使得PVA薄膜在包裝上大規(guī)模的應用成為可能，并有希望打破進口產(chǎn)品對市場的壟斷。同時，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基礎，因此成為PVA/淀粉合金化工藝的核心技術。
五、PVA/淀粉合金
通過對PVA的易水溶性進行改性，提高其耐水性，同時使其在不同溫度下水溶性可控，從而拓寬其應用領域。并在此技術基礎上，北京豐陽塑化工程技術責任有限公司研發(fā)成功PVA/淀粉合金化技術及成套設備，該項目以申請發(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。
1、PVA/淀粉合金化工藝技術特點
PVA/淀粉合金化工藝技術線路是以PVA改性技術（干法擠出吹塑法）為基礎，將淀粉與改性PVA通過雙螺桿擠出機熔融擠出造粒制得專用料后，再在通用設備上生產(chǎn)全生物降解制品。
PVA/淀粉合金化的關鍵在于：PVA的可加工溫度須高于它的熔融溫度。PVA熔點較高，且與熱分解溫度相近，容易在低于其軟化點溫度下發(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，可以達到預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。因此，需要將PVA在塑化劑溶液中進行預增塑處理，以降低其熔點。預增塑處理時，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、剪切力及時間三個條件的共同作用。此外，擠出機有排氣裝置，以便調(diào)節(jié)物料的含水量。
2、PVA/淀粉合金結構特性
（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。　?、傩螒B(tài)學——形成互穿網(wǎng)絡結構的均質塑料合金。
②流變學——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性能——淀粉薄膜強度極低，而制成合金后，其強度幾乎與PE相當。
⑤電性能——不導電，表面電阻率為10Ω·cm，摩擦帶電小?！　、弈突瘜W品性能——能耐油及其它化學藥品，具有良好的耐光性、阻氧性和印刷性等。
⑦燃燒性能——燃燒時不產(chǎn)生有毒氣體和煙霧，熱值為6000kcal/kg。
⑧具有環(huán)境保護適應性。垃圾堆埋可生物降解，焚燒時無有害氣體產(chǎn)生，可堆肥化利用。
⑨價格低廉。
（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
通過對比實驗后發(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行篩選研究表明，在大品種合成高分子材料中，PVA是具有實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/淀粉合金成套設備　　由北京豐陽塑化工程技術責任有限公司自行研制開發(fā)的PVA/淀粉合金成套設備，長徑比52:1，制備PVA/淀粉合金化的同向高速雙螺桿擠出機，每小時生產(chǎn)PVA/淀粉合金50kg~70kg。該設備的研制成功開創(chuàng)了我國PVA/淀粉合金機械的先河。工藝與生產(chǎn)設備一體化技術成果，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，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，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)面不會凝結霧滴的優(yōu)點。因此可作為干燥后溫度尚未完全下降的精細加工織物的包裝。使用后，回到垃圾場或堆肥場中，3個月內(nèi)可全部與土壤同化。
（3）危險品小包裝袋
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)面不會凝結霧滴是其優(yōu)點，起到防潮作用。由于PVA/淀粉膜不導電，可以對包裝的電器產(chǎn)品起到保護作用。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個月內(nèi)可全部與土壤同化，適當增加溫度，可加速溶解。