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发展之“变”丨让茶客用上真正的可降解吸管——鹏力塑造实现下一代工业生物技术创新应用

时间:2024年10月11日    作者:中国船舶报

导读:在最近召开的全国科技大会、国家科学技术奖励大会、两院院士大会上,习近平总书记强调,要瞄准未来科技和产业发展制高点,加快新一代信息技术、人工智能、量子科技、生物科技、新能源、新材料等领域科技创新,培育发展新兴产业和未来产业。在环保新材料领域,中国船舶集团第八研究院所属鹏力塑造继2016年开始研发并推出饮料纸吸管和PLA吸管后,今年又成功研制出PHA吸管,既实现了吸管在海水和全环境下降解,又能让茶客安心品尝野舌尖上的味道。

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4年前,国家发展和改革委员会、生态环境部发布《关于进一步加强塑料污染治理的意见》,从此,一次性塑料吸管退出餐饮业。这个“禁管令”对整个生产行业产生了巨大的影响,也使得传统聚丙烯吸管开始被以聚乳酸(PLA)为代表的全降解吸管取代。4年后,塑料吸管失去昔日霸主地位,越来越多的PLA全降解吸管出现在了茶客手中的饮料杯里。当所有人都以为,PLA吸管在绿色生物降解塑料领域站稳脚跟的时候,聚羟基脂肪酸酯(PHA)吸管横空出世,有望开启一条新赛道。

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PHA"星探“挖掘

说起PHA这一新材料,可能很多人都非常陌生。PHA属于聚羟基脂肪酸酯材料家族,由微生物利用淀粉或油脂合成,在自然界可完全降解,无毒无害。作为一种高分子材料,PHA不仅有类似石油基塑料的性能,还具备优异的耐热性、热封性、阻隔性、水解稳定性以及海洋可降解性。30年前,清华大学生命科学学院教授、合成与系统生物学中心主任陈国强就认定PHA是绿色材料的未来方向,并实现了生物制造PHA的研发和量产。

 30年后,PHA开始在餐具、食品包装、3D打印、纺织纤维、医疗器械等诸多领域实现探 索应用。“相比PLA,PHA的降解性能更佳。”鹏力塑造材料研发主管刘之烨说:“PLA在工业堆肥的条件下才能实现降解,但PHA可以在海水和全环境下降解,这就是两者最大的差别。”

PLA由可再生的植物资源(如玉米、木薯等)所提出的淀粉原料制成,这类原料纯天然、可再生,使用后在堆肥条件下45天就能分解为水和二氧化碳,不会对环境产生污染。除了具备显著的环保优势外,PLA吸管的外观和性能均非常接近传统塑料吸管,具有良好的光泽度和透明度,保质期可达12个月,是塑料吸管理想的替代品。

相比之下,PHA吸管则自带“海洋风”气质。首先,用“取之自然,馈之自然”来形容它最贴切不过,因为PHA吸管的原料来源于秸秆水解液、餐厨处理产物、废甘油、废糖蜜、废乙酸等绿色碳源,均属于非粮生物基材料,不会引发粮食问题。其次,与市面上常见的可降解材料产品相比,PHA吸管可在土壤、海水、陆地填满等多环境下实现降解,这么优异的 环保性能属实难得。最后,生产PHA吸管的能 耗更低,且有效利用了各类废料及合成生物技术,因此其降解速度大幅度提升,并可以实现完全自然降解,生命周期产生的碳排放更少,有效助力了“双碳”目标的达成。

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PHA被鹏力包装

目前,国内主要有北京蓝晶微生物科、北京微构工场、珠海麦得发等几家企业在研发PHA材料,但其基本上还处于中试放大阶段,仍在持续探索下游应用。虽然PHA的技术和成果转化两大难关已经被攻克,但要将PHA真正应用于吸管,还存在不小难题。

一方面,PHA的结晶速度非常慢,且玻璃化转变温度较低,这就导致PHA难以加工定型,且PHA会出现后结晶进而导致产品变脆。另一方面,PHA的热稳定性非常差,在加工时极易出现分解,进而加大了加工难度。目前在国内,既要将PHA应用于吸管,又要让茶客品 尝“舌尖上的味道”,只有鹏力塑造做到了。

“除了我们,目前国内还没有其他企业能 将PHA应用到吸管上。”刘之烨说。继2016年开始研发并推出纸吸管和PLA吸管后,鹏力塑造在今年成功研制出PHA吸管,在环保新材料研发领域再添一笔“新作”。从全球看,PHA产品只在美国、日本有小批量的使用,但这些产品并不能实现真正意义上的海水降解。“因为这些PHA产品中混合了部分的PLA,以提高加工性能。”刘之烨说,“这就使PHA材料失去了最大的亮点——海水及全环境下降解。”为制造出真正意义上的PHA吸管,鹏力塑造通过应用自主研发的材料配方技术和装备技术,提高了PHA性能,更让新产品得以满足日常使用需求。

刘之烨介绍,在性能方面,鹏力塑造通过几种加工工艺,诱导PHA结晶及结构重组,分析各种结构和工艺参数的热力学和动力学影响,挖掘新概念,总结规律性,以Flash DSC的表征研究PHA的结晶动力学,解决PHA结晶速度慢、韧性差等问题;以自制抗水解剂精准捕捉热分解产生的羧基,多点交联,动态持续修复水解的酯基分子链,解决PHA在加工中出现分解的问题。

在装备方面,鹏力塑造通过设计不同双螺杆组合,控制模具的热平衡和模具的热传导,改进加工设备及工艺,确保PHA在保压和冷却成型阶段处于PHA的等温结晶状态,从而进一步提高PHA在加工过程中的结晶速率、缩短其成型周期,并有效消除PHA在加工过程中出现的热分解现象,最终制成综合性能优异的PHA制品。“PHA吸管放在茶客嘴里,体验感不会差。”刘之烨说。 

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PHA被茶客期待

PHA吸管要和PLA吸管一样大范围应用,走上“普及”的赛道,还需要一段时间。

 目前,持证“上岗”的纸吸管和PLA吸管已经为大众所接受。但专家表示,无论纸吸管还是PLA材质吸管,都不是绿色环保的“终极形态”。有实验表明,PHA吸管可以在短短58天内实现完全的海洋生物降解,还能轻松用于各种热饮,从滚烫的咖啡到热腾腾的茶,其都能安全使用,无需担心吸管会因为高温而 变形或释放有害物质。 

刘之烨说:“PHA吸管还没有实现量产化,最重要的原因就是贵。”预计在未来的3~5年,在相关政策扶持下,PHA吸管可以实现小批量量产。目前,鹏力塑造正在积极联合国内头部品牌商,计划在特定的活动产品上实现PHA吸管的包产,同时利用海外区域性法规的条件,对接海外客户,推动PHA吸管“走出去”。 

除了研发PHA吸管,鹏力塑造还全力打造了PHA全系列产品(餐饮包装耗材),包括杯子、杯盖、刀叉勺、纸塑复合等。以PHA纸杯为例,鹏力塑造改变了传统纸杯采用PE内膜涂层的做法,转而采用PHA涂覆工艺,实现纸塑复合。“这样一来,一个被丢弃的纸杯将会降解为二氧化碳和水,重新返回地球,实现真正的可持续发展。”刘之烨说。未来,随着科技创新和产业创新深度融合,PHA产业化水平将不断提高,塑料垃圾对自然生态系统的污染将进一步减少。 

推动产品的持续创新是鹏力塑造的重要发展引擎。鹏力塑造将持续丰富PHA全降解产品品类,不断探索、优化并形成科学的包装耗材解决方案,以新技术、新材料、新产品驱动新质生产力,为绿色地球贡献鹏力力量。

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