第484期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《聚焦生物降解塑料》
讲座题目：透视新科技——聚焦生物降解塑料
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：张 军，中国科学院化学研究所研究员。
郭宝华，清华大学化学工程系教授。
讲座时间：2023年8月21日～8月27日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——聚焦生物降解塑料
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》！我是主持人胜春。塑料在我们的生活当中非常常见，因为它简便易用。但是近些年来，那些不可降解的塑料带来的环境问题越来越引起人的重视。那如何让塑料变得更好用，更环保呢？今天让我们共同来关注一下可降解塑料。塑料制品几乎遍布人类生活的方方面面，它在给我们带来生活便利的同时，又由于人类的不当处理而带来了白色污染，让人触目惊心。对环境友好的可降解塑料，其实在市面上也已经屡见不鲜，只是对于它的性能，很多人并不了解。而且它相对高的价格，也让人不那么愿意接受。如今，科学家们正在研发一些新型的塑料，希望能够解决白色污染的问题。那么，它的功能是否足够优越，能够替代原有的塑料？在价格上，它又能否做到同样的物美价廉呢？首先呢，我要给大家介绍一下今天我们请来的两位嘉宾，中国科学院化学研究所的研究员张军，接下来一位是清华大学化学工程系的教授郭宝华。今天在我们节目当中，我们首先给大家来普及一个科学的概念。塑料是什么？
塑料，我们说是高分子材料的整体的一部分，高分子材料包括合成高分子，也就是说化学合成的，还有天然高分子。那么在合成高分子里面分成塑料、纤维、橡胶、涂料、胶粘剂和功能高分子材料，其实合成高分子种类很多，塑料只是其中之一。原材料都是相似的。原材料是相似的，比如说像我们平常的穿的衣服的这个的确良，或者我们叫PET（热塑性聚酯）纤维，我们喝的矿泉水的瓶子，矿泉水的瓶子用的也是PET（热塑性聚酯），所以它又可以做瓶子。所以它实际上是一种原料，根据不同的用途要求，给它可以通过分子量的这个调节和一些结晶速度等等的控制，所以能够满足不同领域的这个需要，当然还有（要）配合不同的加工方法。就是生活中其实塑料是无处不在的，我们讲塑料按照分类就是通用塑料、工程塑料，还有特种工程塑料。那么通用塑料就是在我们老百姓生活中用的特别多的，你比如说这种瓶子，比如餐具或者一盒超市里面的塑料袋，那是聚乙烯做的。为什么这些塑料会污染我们的环境呢？
其实传统塑料的话，我们说是从石油或煤，我们叫矿石资源来。通过这个相相当于石油裂解，最后变成可聚合的一个个小分子，然后我们把它聚合起来，变成一个大的这样一个分子。就是因为它分子太大了，所以在自然环境中，很难降解。比如我们说举一个例子，我们水的分子量大概只有18，我们现在聚乙烯的塑料袋的分子量是几十万，我们还有超高分子聚烯的，它的分子量达到一千万，甚至更高。所以这样就是巨大的这个分子，把它连接起来，这个时候微生物没办法吞噬，在自然环境里边经过，当然也有光照、氧化等等话，要经过上百年的时间，才能逐渐降低到很小的尺寸，能够微生物把它分解，最后矿化变成二氧化碳和水，所以这个过程不是说它最后不能降解，而是说这个时间特别长，大概上百年。如果在海洋深处，可能也要四、五百年，可能会更长。既然我们知道这个塑料是有污染的，为什么还要使用它呢？
塑料发展的过程中，它第一个可能是去替代纸张，后来又替代一些玻璃、陶瓷等等包装品，再后来又替代钢铁。因为它的突出性能，第一个，那我们看它的这个质量比较轻，我们比如包装个什么东西，你用一个玻璃瓶和用一个塑料瓶，它的包装的重量显然要轻的多了。第二个优点是什么呢？就是它的方便易加工，所以说我们这个金属包括玻璃，你在加工的时候都要几百（摄氏）度，上千（摄氏）度的温度。塑料一两百（摄氏）度，我们就可以很方便地把它熔化，同时它的热熔又比较低，所以能耗还低，我们就可以（用）大的装置来生产。第三我们说它安全，基本上我们说通用的塑料，我们平常使用的聚乙烯，聚丙烯等等的话，无毒，所以这些都是满足我们日常生活里边的这样一些安全、卫生、无毒，用起来舒适方便这个大的特点。还有一个，它是从石油或煤基过来的，那我们现在说千万吨炼油，跟着下边的百万吨乙烯，一听这个规模就知道，它的规模很大，生产效率很高，所以它的成本又低，所以大家用完以后随手就丢弃了。塑料为什么大量的污染问题呢？是因为它用起来太方便，它的价格又相当低，它随手丢弃是人们可承受的，这样一个价格范围，所以我们的生活是离不开塑料的。
我们听到一个词叫回收，比如说现在我们看到的在上海、北京等等这些大城市开始率先开始垃圾分类，这是个很好的措施。分类回收，垃圾分类这个处理，然后回收以后，有些比如说专门的一些塑料制品，有可能就是不需要分拣，然后就可以，比如说就送到一些专门处置的这一类材料的一些单位。但是即使这样，仍然不能解决所有的问题。为什么？就很多的这种一次性的材料，你即使把它回收，它是前面就需要付出一些代价的。你比如假设我们一个餐盒，它都受到污染了，上面又有灰又有油，你回收完以后，你还需要清洗，需要洗涤，这都是个一个很浪费的过程，就是我们讲的一些运输，一些前处理等等，这都是需要一些付出代价，甚至就是超过你那个产品的代价（价值）了。我们讲这就是一个不划算的过程，对于一次性的包装材料来讲，有可能就是使用生物降解塑料就是一个终极手段。一次性塑料用品因其使用率高，回收难，已经成为塑料污染的重灾区。特别是近几年，快递业务、送餐业务快速发展，而快递和外卖包装所需的塑料袋、餐盒、胶带、吸管等一次性塑料用品，绝大多数并不能得到有效的回收和利用，成为新的“白色垃圾”。2020年1月，中国国家发展改革委和生态环境部发布《关于进一步加强塑料污染治理的意见》，明确规定到2020年底，超薄的塑料购物袋和聚乙烯农用地膜，以及一次性餐具、快递包装袋等一次性塑料用品，将在我国逐步禁止使用，科学家们研发的生物降解塑料，能否在“限塑令”愈加严格之际，对被禁用的一次性塑料用品实现替代呢？
生物降解塑料，这是一种什么样的塑料？相当于这个材料放到这个自然环境中，能够被环境中的就是多种微生物所分解，最终是变成二氧化碳、水，以及转化成这个相关的有机质，甚至成为这个微生物它的有机体的一部分，这样一个过程，那我们把它叫做生物降解。这个过程时间不能长，如果时间长了，我们说（需要）几百年，所以这个过程通常是在我们可以接受的范围内。同样叫塑料，我们到底做了什么，它今天可以降解了呢？就是我们以前用的塑料，里面主要元素就是碳、氢，石化（石油化工原料）主要就是碳、氢这个化合物。碳、氢就是微生物，不喜欢也不能消化它和代谢它，所以它就属于相对来讲比较稳定。那我们讲的现在生物降解这种塑料，它的结构上一定要跟它原来的这种碳氢的这种化合物有明显的区别，可降解材料里面一个是杂原子存在，另外就是它里面有相当程度的一些酯键，这些一个杂原子就是氧、氮，这些杂原子和这个酯键的存在，都是区别于常规的，那种不降解塑料的结构上一个最明显的一个特征。这些杂原子存在和这些酯键的存在，它导致它会被微生物可以去消化，去完全降解，去代谢掉。
你看，我举个例子说，就是我们说我们平常的天然高分子，一些淀粉、纤维素。淀粉，我们人类直接就可以消化它，它是一种葡萄糖环连起来的一种高分子，它里面重要的一个特征就是它的元素是碳、氢、氧，氮和氧在我们化学里面，我们称为杂原子。那个碳氢是一个很稳定的结构，一旦有这个杂原子在里面的时候，微生物就喜欢了。合成高分子，目前广泛使用的都是含有酯键，所以这个酯键一方面，在自然界里面，我们说有水的存在情况下，它可以水解。第二，微生物分解包括是脂肪酶等等的话，它可以切断这个酯键，也就是把它从大分子变成小分子。生物就可以吃掉它，就可以在自然界当中自然的循环了，而不会产生坏的作用。对，就是我们设计高分子的时候，一个很重要的一个参考。为什么之前就没有找到这个生物降解的方式？其实，我们很早就意识到这个塑料它不降解，或者降解速度太慢，所以人们就开始不断的寻求解决这样一些塑料污染的方法。最初的时候，实际上是塑料袋，就是感观污染太严重了，挂在树上，跑到农田里面，所以大家就希望怎么样把它破碎掉，有两种方法。一种是聚合，把一氧化碳跟乙烯聚合，变成了一个本体的光降解。第二种，在聚乙烯里面，加上一些光引发剂，比如说二苯甲酮，让它（成为）添加型的（塑料）。这个光降解塑料很好，在这个太阳光照射下边，最后我们能够看到几年以后，或者一段时间以后，它碎掉了，埋在地下的不降解，没有接触光，所以大家又在想说把埋在土里边的，也让它降解掉，那怎么办的？土里边有什么呢？
有微生物，所以就想加上微生物降解。微生物能吃什么？能吃淀粉，所以就把聚乙烯跟淀粉把它复合起来，地表面光降解，地下微生物把淀粉吃掉，好象是解决了大块问题。最后发现这个聚乙烯分子量没变，聚乙烯还是聚乙烯，这个微塑料污染又太严重，所以这是光生物降解，它也有问题，后来现在还有一些什么呢？说氧化降解也是没有办法，虽然（塑料）破碎了，变成了收都收不回来的微小的塑料块，所以可能引起的环境灾难。如果说我们这个地球的微生物环境破坏掉了，那这个灾难可能会更大，所以没办法预期，怎么样能解决这样的问题呢？最后就发现全生物降解塑料，不管在地面上边，在地下，只要是我们现在地球的这样大自然环境里边有微生物的存在，它就能够解决这样问题，不光解决了大块塑料降解问题，还解决了微塑料的问题。所以这是我们为什么说它是一个最终的这样一个解决方案呢，现在可以这么说，最终的解决办法，就是因为它对这个整个的能够加入我们这个地球的自然的生态圈，自然的循环，不会在环境上边产生其他的危害。对生物降解塑料研究的成果是什么？
生物降解塑料主要包括天然高分子和合成类的高分子材料。我们讲天然高分子材料这一块，主要就是纤维素的加工。纤维素的加工和功能化，一方面本身你把纤维素，天然的这种纤维素加工成不同形状的这种塑料，你比如说纤维或者薄膜，它的难度就是在加工过程。因为纤维素我们很多自然界里面的这些材料，你要把它再加工或者利用过程中，它是非常难的。自然界它有一个抵抗外界的这种天然的这种机制在里面，就说纤维素，比如说我们讲它里面的一些分子间的一些氢键非常强，你把它用的时候，就是它需要能耗，或者是化学品就特别多。那我们近几年科学家就是开发一些纤维素的新型溶剂，这个溶剂就可以把纤维素就像我们溶解食盐一样，把纤维素给溶解了，物理的溶解，这是非常高效率的溶解。溶解完以后，你就可以把它加工成不同的形状了。然后进一步的，你还可以在纤维素上做不同的改性，以满足不同的需要。你比如说像有一种改性纤维素叫醋酸纤维素，我们很多眼睛架，都是用那种醋酸纤维素做的。
醋酸纤维素它有什么特点呢？它的那个尺寸稳定性特别好，长期使用不变形，这个材料几乎就是不可替代的。还有很多类材料，就是加工出来的纤维素膜。烟花爆竹，它用的外包装膜，它就是纤维素膜，它就是利用我们现在开发出来的纤维素膜抗静电的性能。它天然抗静电，本身又是彩色、透明，它还抗静电。减少危险的发生。对聚丙烯、聚乙烯，常规的通用塑料就不能用于包装那个材料。因为它本身就容易带静电，合成的高分子容易带静电，天然的高分子它天然地抗静电，你什么都不加，它就（能）很好的抗静电，这是一个不可替代用途。它还是有很多的性能，目前在逐渐被开发出来，就这些天然高分子材料。合成高分子、聚乳酸，它的性能就和我们通常用的聚苯乙烯相类似，PBS（聚丁二酸丁二醇酯）它和我们用的聚丙烯相类似。PBAT（聚己二酸－对苯二甲酸－丁二醇酯）又和我们（做）膜袋的低密度聚乙烯，它的性能是类似的。所以它们对于这些材料，基本上在通用（塑料）领域里边，是可以实现替代。
中国对生物降解塑料的科学研究一直非常活跃，近几年，随着限塑令的逐步收紧，中国的科学界和企业界也纷纷加快了脚步。如今，我国生物降解塑料无论是在种类上还是在生产规模上，都处于国际领先地位。那么，生物降解塑料究竟可以做成哪些产品？又是否能够替代我们生活中的塑料用品呢？哪些已经可以做到替代传统塑料了？农业里边一个很重要的一个农资，我们叫地膜。在我们国家，尤其是西部地区，这个干旱、缺水，还有地温低，地膜是我们增产的一个很重要的手段。但是长期使用地膜，造成了严重的土壤的一些污染，比如说在新疆地区，它平均每亩的地膜残留，大概要达到20公斤（千克），相当于给地铺了五层膜。你就想想，严重影响到植物的根系的这样一些它的生长等等。地膜破碎了，所以它没办法全都回收回来，这个时候全生物降解地膜在新疆地区，以及我们国家的，包括东北的水稻种植区，都获得了这样一个大批量的大规模的应用。第二个在生物降解地膜，在我们说根茎类和一些后期怕高温的这样植物里面，实现了比传统的聚乙烯地膜还要高的增产。比如说我们在新疆地区做的甜菜，像番茄，它的增产的幅度，比聚乙烯的地膜增产还要比聚乙烯还要高20%。还能够增产？
还能够增产。这个了不得。所以，它实现了在很多领域实现了对这个传统塑料的替代，不光替代还有更好的效果。两位今天还特意给我们带来，已经在某些领域已经开始应用的替代产品，给我们展示一下吧，好吧。好的。大家看这一个特别漂亮的一个花瓶，是一个3D打印的材料（产品），经常说我们的外卖，外卖的餐盒是没办法回收的，所以又有油污染，各种各样的污染。这个吃完了之后，大概多长时间能够降解掉呢？这个可以根据要求，我们从三个月到半年都可以的，大家看这个小朋友肯定特别喜欢的，这样一个漂亮的这样一些布娃娃，玩具，这个也是我们用的这样一些聚乳酸的这样体系来替代。我们在很多的时候，婴儿的服装，为什么我们这里边更展示婴儿的服装呢？这个材料有一个除去具有普通的这样一些，我们说天然纤维这样一些特点，它还有一个更重要的，这样一些特点就是说抗菌。对于婴儿来讲，他们皮肤特别娇嫩，特别怕微生物的侵染，所以作为这样一个抗菌的这样使用。我们说这次全球肆虐的新冠病毒，我们防护新冠病毒，很重要的我们要戴上什么？口罩。戴上口罩。
口罩的话，如果说全球每人每天一个或者说几天一个，咱想想。又是新的垃圾。新的垃圾污染，新的白色污染，实际上又是越发的严重。我们现在做全生物降解的这样一些口罩，就达到这个N95的水平。棒极了。其实我拿出来只是一小部分，生物降解材料大家可以，如果说你们仔细观察，在你身边的方方面面，很多的产品我们都可以用生物降解材料来替代。生物降解塑料，在近几年得到了迅速发展，农用地膜、餐饮餐具、购物塑料袋等一次性用品方面，以及儿童玩具、医疗用品、服装等领域都有新的产品诞生。但是，生物降解塑料的实际应用，却远未达到传统塑料的范围和规模。生物降解塑料到底为何推广受阻？它在哪些方面还存在不足之处？它的性能和价格是否能够被人们所接受？为什么我们已经研究出来这种可降解的新型塑料，不能够在生活当中见到它的应用呢？其实也不叫不能见到它的应用，其实在我们生活中，是已经有不少的应用，但是，跟大宗的传统（塑料）比起来，它还是太少了。
原因是几个方面，首先，我们说制约生物降解材料发展的一个核心因素，是它的成本，也就是说它的价格比传统塑料，目前来看还相对高一些。所以这个是它的第一个制约因素。比如说我还举我们这个天然高分子，纤维素的材料这一块，纤维素膜其实在很多领域是可以代替。因为纤维素膜它的透明性，它的强度都很好，在很多领域，它是一个非常优良的一个包装材料。我觉得核心的成本，核心还是成本问题，和常规的那些聚丙烯那些薄膜来比，它的价格基本上要高两倍到三倍，这是一个具体的价格。这个成本的问题未来可以解决吗？如果你真一个是提高工艺，提高工艺效率，生产效率，另外一个大规模的使用，规模越大它成本会越低，这都是有可能的。而且目前我们在朝这个方向发展，在科学界、在企业界都在朝这个方向发展。既然说到这，我觉得两位可以给我们比较一下，传统塑料跟我们现在可降解塑料，新型的塑料之间，对比起来它们还差在哪里呢？
就是它的相关性能和人文预期的还有一些区别，比如我们一个产品，货架期它可能需要一年，这个时候你应该保证它一年内能够有使用性，一年以后很快降解。有些比如我们奶制品，它的包装就是几个星期，完了以后，你应该是几个月之内就要降解。我们期望它的降解时间是可控可调的，所以这是一个（难题）。第二个，我们对于不同的这样一些产品的这样一个性能，我们是期望它，能够达到这个性能，比如说我原来用了一个东西，然后现在我用一个替代。我总希望它比原来的还要好，但是现在我们说靠一个材料，或者说现在的现有的品种，那我们还有很多的工作要做。前面提到的传统塑料的轻便性，韧性好，可以很薄，轻薄的东西可以拎很沉的物品，这些特色我们新型的塑料还有吗？新型塑料里面都可以，就说都可以达到一些很高的性能，或者很高的一些那些性能。那我们不足的地方在哪里呢？
不足的地方就是说它和一些不降解的那些塑料比，就它的综合性能赶不上那个。你比如说假如举个很简单例子，我们就讲一个餐盒，对餐盒来讲，它需要耐水、耐油，还有耐高温，大家可以想象它的使用上一定需要这几个因素里面。我们讲淀粉塑料，纤维素塑料，你想满足防水、防油，同时满足几个性能的话，还是比较困难的。所以我们就是生物降解这些塑料，它的一些性能还需要进一步提升去完善。它的这个分子结构，所决定了它的这个某些性能，比如说刚才讲到的耐水性，那我这边有聚酯，我要生物降解，它要有酯键。酯键就是不耐水解，所以这个时候，那我们说这个科学家们还要不断地努力，也就说，既要满足这个生物降解的性能，又要满足我们使用上边的对材料的这样，或者对（塑料）制品的多方面的这样一个要求，所以我们说这条路其实还是任重而道远。未来我们可将解塑料，还有在其他哪些方面会有应用呢？
现在我们可以看到，说主要用在什么呢？一次性的用品，对吧。比如说我们的这个购物袋，其实生物降解塑料，现在除去这些用途以外，在我们的健康领域里边，现在已经在使用。比如说可降解支架，它在人体里面，既能疏通血管，同时随着时间的这样延长，它逐渐地慢慢地就在体内降解了。金属支架它会在你体内存留着一辈子，这个可降解支架，它在完成了疏通血管使命以后，它最后降解在体内，它就消失了。比如说像我们叫乳酸和乙交酯，它们的聚合就可以做可降解的缝合线，所以这是一个在生命健康里边，今后会有特别大的作用。因为人的寿命越来越长，我们的零部件可能损坏的程度，因为时间长了就会越来越多，所以需要这样一些材料来去支撑。未来当各位研究的这种可降解塑料，在我们生活当中应用起来，那个时候对我们整个社会，对环境的影响将会是什么样的？近几年比较一个热门的话题就是微塑料这个话题，微塑料最近不管是老百姓，还是科学家都是非常关心的一个，关切的一个事情。我们地球的南北极的冰川里面，我们在深海里面，在我们吃的食物里面，食盐、鱼类、蔬菜里面，甚至在我们血液里面，都发现了微塑料。生物降解塑料我们讲，它是一个终极方案，虽然现在还有很多的问题，我们协调我们这种发展，和我们环境之间的平衡，它是一个趋势。
生物降解材料，还有一个最大的特点，也就说它对动物和人类，它是没有毒性的。有科学家在做研究，说把这个可降解塑料去喂动物的时候，看它们的对动物生长的影响，最后发现对动物的生长是没有影响的。也就是说，它不会导致它的死亡，像传统（塑料）我们经常看，前几天还看到说鹿吃了聚乙烯的塑料，最后死掉了，也不会造成这样一些危害。再也看不到那些图片，海龟被塑料制品缠着，不能够正常地生长了这种状态。对，生物降解塑料这样一个大量采用，那我们地球上边的塑料的白色污染，将会极大的缓解，甚至会消失。今天非常感谢两位嘉宾来到我们演播室当中，跟我们共同探讨可降解的塑料，包括以及它未来的应用。在这里我们也提醒我们电视机前的观众，您还是要少用一次性的那种不可降解的塑料制品，积极地参与垃圾分类。感谢各位收看我们今天的《透视新科技》，我是胜春，咱们下期节目再见。
（通讯员 邓辉）
