PBAT 应用及研究进展

丁泽强，袁 博，李 飞，黄学敏，魏珺谊

（华阳集团碳基合成材料研发中心，山西 太原 030021）

引言

随着科技的进步，高分子材料尤其合成高分子如塑料、树脂等给人们生活带来便利的同时，其废弃物已成为“白色污染”的源泉，成为了严重影响环境和人类可持续发展的全球问题之一[1]。为了从根本上解决日益严竣的白色污染和其他环境污染问题，发展生物降解高分子材料成为当今研究热点。PBAT 是其中一种技术成熟且可以工业化生产的生物降解材料，因其低成本、高延展性和成膜性得到了广泛的应用。

1 PBAT 产业发展

国外PBAT 工艺发展较早，巴斯夫公司1998 年推出PBAT 并迅速推广。意大利Novarnont 公司最早实现生物降解塑料产业化，2004 年，其PBAT 产能达到10 万t/a。我国PBAT 生产技术起步较晚，聚友化工于2012 年建成投产国内第一条万吨级生产线。2020年1 月我国颁布了《关于进一步加强塑料污染治理的意见》，随着中国“禁塑令”全面落地实施，预计到2025 年国内PBAT 需求量将达到235.9 万t（图1）。目前，国内PBAT 产业呈井喷式发展，据不完全统计，截至2021 年2 月，我国PBAT 未来五年新建及拟建产能已超过600 万t/a。

图1 中国PBAT 行业市场供需情况

PBAT 的制备工艺方法有两种[2-3]：一种是以中科启程为代表的一步法工艺，原料在反应器内经酯化反应、缩聚反应直接得到高分子量产品。该法工艺合理、流程短、生产效率高、投资少、产品品质稳定，原料消耗及能量消耗低，生产过程中BDO 能够直接回用。该工艺避免因扩链引入的异氰酸基团，提高了产品的食品安全性能，为产品在食品、药品包装、农业生产等领域的应用提供了可能。另一种工艺是以巴斯夫为代表的两步法工艺，原料在反应器内经酯化反应、缩聚反应只能够得到相对较低分子量的产品，干燥后的低分子量产品在螺杆机中与扩链剂进一步进行扩链反应，得到高分子量的产品。该法工艺相对复杂，而且扩链过程中引入二异氰酸酯，导致材料的生物安全性降低，在食品包装及人体接触的产品中受到限制。

目前，国内生产企业多以一步法为主，一步法工艺在技术、产品性能等方面具有显著的优势。一步缩聚反应法相比两步缩聚反应法在工艺控制与配方平衡难度更大，合成技术壁垒更高，更难掌握。但是一步缩聚法合成的PBAT 不需要有毒、不可降解的扩链剂。PBAT 目前最主要的应用领域为膜塑制袋，由于一步缩聚法合成的PBAT 分子量分布较宽，使其在相同分子量水平下具有更好的加工流动性，非常有利于下游客户的改性生产，同时也使其在后期制作成袋子时具有很好的热封性。

2 PBAT 应用

PBAT 除了具备可完全降解特性外，还具良好的延展性、断裂伸长率、耐热性和冲击性能。研究表明，PBAT的熔点和力学性能与PE 相当，如下页表1 所示。可基本覆盖PE 在一次性制品行业中的应用。此外，PBAT 可以采用注塑、挤塑、吹塑等多种形式进行加工，广泛用于片材、地膜、包装及发泡材料的生产。目前PBAT 主要应用于包装材料（垃圾袋、食品容器和薄膜包装）、卫生用品（尿布和棉签等）、园艺和农业用的可堆肥塑料袋、生物医药领域以及纸杯等其他材料的防水涂料等。PBAT 具良好的延展性、断裂伸长率、耐热性和冲击性能，但是存在结晶性差、熔体强度低以及价格高等问题，限制了其更为广泛的应用。

表1 PBAT 与LDPE 性能对比

研究者对PBAT 的实际应用及降解效果进行了探索。PBAT 地膜可在在不同区域、环境下使用，达到降解及保温保湿性能。向午燕[4]对PBAT 全生物降解地膜在辽西半干旱区的降解特性研究表明，随着覆盖年限的增加，PBAT 地膜残留量远远低于普通地膜，PBAT 地膜可实现自身降解，有效减少农田残留。苏海英[5]等在新疆昌吉市加工番茄主要种植区开展生物降解膜应用试验，发现PBAT 地膜开始破裂之前日平均土壤温度比PE 膜处理低0.81 ℃，但两者比露地处理分别高1.13 ℃和1.94 ℃，PBAT 地膜在开裂之前土壤保温性能较好，与PE 地膜保温效果相当，同时具有更好的降解性能。

改性PBAT 的应用研究较多，王莉梅[6]将左旋聚乳酸添加到PBAT 中并考察其薄膜制品的保鲜效果，该材料能延缓营养成分的下降速度，延缓采后衰老过程，贮藏期15 d 内能保持较好的感官品质和营养品质。王洋样[7]发现PBAT/PBL 可降解薄膜具有良好的透气性和选择透过性，食品贮藏期相较于无包装延长四倍多，相较于PE 包装膜延长10 d。

3 PBAT 改性研究进展

与传统塑料相比，PBAT 存在生产成本高、热力学性能差等缺点，应用领域受限，需要通过对PBAT 改性以改善其综合性能，达到低成本生产、绿色可完全降解和高性能的目的。PBAT 与可降解材料、无机填充物的并用，不仅可以改善PBAT 的加工性能和降低生产成本，还可以拓宽其适用范围和领域[8]。

3.1 PBAT 与其它可降解材料复合材料

聚乳酸（PLA）具有优异的力学性能，是目前研究最多、产量最大的可生物降解材料之一。赵海鹏[9]以含环氧基团的扩链剂为增容剂，采用双螺杆挤出设备制备出共混可降解材料，扩链剂的环氧基团与PBAT和PLA 发生化学键合，降低界面张力，使PLA 结晶度下降，提高材料的拉伸强度和断裂伸长率。杜华[10]等发现不同PLA/PBAT 共混体系中PBAT 用量的增加降低了共混体系拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量，提升了断裂伸长率、冲击强度。

PBS（聚丁二酸丁二酯）安全无毒，但是其加工性能差，机械性能不足。PBAT 与PBS 共混改性后，复合材料力学性能、加工性能优异，综合性能得到提升。刘亚丽[11]采用PBAT 对PBS 进行增韧改性，随着PBAT含量的增加，共混物的熔体黏度不断增加，结晶度下降，拉伸强度降低，断裂伸长率在PBAT 质量分数为30%时达到300%，约为纯PBS 的30 倍，材料的韧性明显提高。

此外，PBAT 还可与其他可降解材料进行复合。聚碳酸亚丙酯（PPC）原料来源广泛，应用领域广，但是其玻璃化转变温度较低，与PBAT 共混后可以延续良好的生物降解性，提高复合材料的综合性能[12]。袁龙[13]等制备了马来酸酐改性的热塑性淀粉（MTPS），然后采用熔融共混的方法制备了PLA/PBAT/MTPS 三元共混物，提升了材料的韧性。共混过程中，PBAT 与MTPS 发生酯交换反应，大大降低淀粉粒子的尺寸，并逐渐产生PBAT 对MTPS 的包覆，提升了耐水解性。尹玉霞[2]将乙酰化改性纤维素与PBAT 进行复合，显著提高了复合材料的各项力学性能，增加了PBAT 的热稳定性，其生物降解性能也得到改善。

3.2 PBAT/纳米填料复合材料

纳米填料具有粒子尺寸小，比表面积大，与聚合物有强界面相互作用等特点。制备PBAT 复合材料过程中引入纳米材料填充物可改善复合材料的相容性、力学性能和流变性能，具有价格便宜、用量小等优点[14]。刘晓南[15]等以硅烷偶联剂改性的超细活性碳酸钙为填料制备PBAT/CaCO3复合材料，材料的黏度降低、弹性增加，热稳定性有了明显提高[14-15]。

4 结语

随着研究的深入以及“禁塑令”带来的PBAT 行业扩能，PBAT 的应用及改性研究不断深入，其综合性能将不断提高，应用范围越来越广，逐渐取代一次性传统塑料用品，实现绿色、可持续发展。