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【上海教育新闻网】华理教授巧施“魔法” 土豆变身塑料

第14届中国国际工业博览会即将召开,环保主题将成为各方关注的热点。在中国高校展区发布会上,我校郭卫红团队的土豆变身塑料技术引起了记者的关注,并进行了报道。全文转载如下:

远看,闪着幽暗的微光,近闻,像炒熟的大麦芽一样有股淡淡的焦香,看到这些一次性刀叉、杯盘,你能想到它的原料就是自家菜篮子里常见的土豆吗?你能想到生产和制造这些小东西的宁波家联塑料用品制造公司短短4年间出口总额已达到5000万美元吗?而让其“点豆成金”的 “魔术师”就是的郭卫红团队。

生物全降解 源于自然回归自然

我国是塑料大国,年产量约400万吨,仅北京一地每年产生的塑料垃圾就达数十万吨,可回收率只有2.2%,而在上海,光是因为聚苯乙烯(俗称“发泡塑料”)快餐盒的消费,每天就产生垃圾200多吨。而与传统的聚酯塑料等比较,生物质材料则可减少消耗47%的化工能源,同时降低59%的温室气体排放。所以,在能源消费和环境保护等的压力下,20世纪末,国内外便大规模开展了生物可降解材料的研发。

淀粉是一种天然高分子聚合物,广泛存在于如玉米、小麦、大米、马铃薯、木薯等植物之中。淀粉分子中含有大量的活性基团,通过改变其分子结构和性质,可以生产出适应食品、医药、造纸、纺织等众多领域需要的变性淀粉。因此,作为环境友好材料的重要一员,它引起了工业界的广泛关注。

由于来源广、价格低廉、可再生,10多年来,在研究人员的努力下,一大批以淀粉为基本原料的衍生物脱颖而出,但是,它们大多都不能完全降解。在这些材料里,虽然淀粉添加物最终可降解,但其余的聚合物长链却被粉碎分散在土壤中,崩解材料最终会降低土壤的肥沃程度,影响土壤的蓄水、保水、透气等功能,从而引起农作物的减产甚至绝产,其隐形污染比普通的白色污染更难治理。

那么,为什么不能生产出全降解的淀粉基材料呢?“因为淀粉脆性太大,湿强度也达不到使用要求,要做出真正意义的淀粉基降解材料,最多只能添加不到10%的可降解聚合物,这就要对淀粉性能进行改造,需要关键技术的突破。”郭卫红道出了其中的奥妙。

为了改造淀粉的性能,郭教授团队早在其课题“非粮淀粉基生物塑料制造关键技术研究”获得国家“十二五”科技支撑计划支持之前,就已开始从反应机理、制备工艺、功能特性、应用领域等多方面开展研究,现在已完成大规模产业化。

“我们的材料性能完全能满足日常需要,而且优于美国ASTMD6400和EN13432的生物降解材料标准要求,从原料来源到最后降解完成,全过程碳排放量小于50%,堆肥条件下,3个月降解率即可达到88%,成分全部可降解。”郭教授特别强调”全部”二字。她说,由于主材淀粉和甘油之类的助剂都可全自然降解,这样,这种材料产生的垃圾就能和有机废弃物一起堆肥处理,方便垃圾收集和处理,从而使垃圾无害化处理变得极为现实,真正做到“源于自然,回归自然”,而且由于所用淀粉主要来源于马铃薯(在部分地区可用木薯、橡实),也不存在与人畜争食的问题。

“修枝”改性 淀粉塑料合成多创新

虽说淀粉基材料低碳、环保、可降解,但要最终赢得市场的青睐,还必须要通过技术、成本控制、产业化生产等层层关口的考验。

郭教授解释说,在天然淀粉中,因直链淀粉和支链淀粉成分含量不同而产生了性能差异,塑料加工领域“偏爱”直链淀粉,因为它可使塑料制品具有很多优越性,如透明度、生物降解性、成膜性、冻融稳定性和较好的机械性能等,所以,研究人员首先要对淀粉“修枝改性”,使其成为高直链淀粉。此外,淀粉变身塑料的关键技术是,在保证改性淀粉尽量占高比例的前提下,又要让各个组分易于成型,特别是在材料加工时要有良好的流动性,如此,才能降低生产成本,保证连续生产和产品质量稳定,由此又需要对传统的加工工艺和设备进行改进。

为挑战过关,郭卫红教授团队进行了多项创新,在对天然淀粉进行微细化、直链化、塑性改性和增容性改性等处理的基础上,成功研发出了可进行连续反应挤出的全降解生物基淀粉塑料合金,由此打通了从实验室到工业生产的通道。

“经过剪裁和改性,材料的性能大大优化,不透水、烫不坏,耐得住通常强度的拉伸、冲击,也适合传统的塑料加工方式。”郭卫红说。

不过,要从实验室落地工厂,研究人员还必须要对加工工艺进行筛选,需要综合考虑温度、压力、一次性成型所需的材料用量、加工方式等多个问题。“就拿一次性杯子生产来说,原料用量都是自动称量,数据一定要精确,否则就要人工修边,增加劳动力成本。”郭卫红给记者算了一个简单的数字账———塑料原料大约每公斤20元,马铃薯淀粉大约每公斤4元,虽然作为催化剂的酶价格较高,但原料上的差价加上先进合理的加工工艺,足以保证生产企业具有较高的利润空间。

凭着研究者对企业需求的关注,凭着淀粉的塑化改性、材料配方的合金设计、材料的反应性加工工艺、材料的高填充成套生产工艺和设备的研制开发等全程科技创新,郭教授团队的课题孕育了巨大的经济效益和社会效益。

盯牢低碳环保 价值空间无限

在郭教授看来,淀粉基生物质材料的未来发展空间远远不止于缓解环保压力,它将为改善我国传统经济增长模式、促进区域经济平衡发展作出表率。

甘肃省是我国马铃薯种植大省,定西市是全国3大马铃薯生产地之一,向有“中国薯都”之称,全市马铃薯种植面积达335万亩以上,年产鲜薯500万吨以上,以此为基础,定西市的马铃薯淀粉加工业已形成规模和体系,全市5000吨以上的马铃薯淀粉加工企业有31家,精淀粉年产量达15万吨。但由于马铃薯收获的季节性和保藏条件的限制,精淀粉加工企业年实际生产时间仅为80~100天,同时由于淀粉行业市场竞争加剧,企业利润逐年下降,因此,甘肃省和定西市政府迫切需要引进高新技术,发展淀粉精深加工业,拓展和延长马铃薯产业链,真正将资源优势转化为竞争优势。而在引入郭卫红教授的新成果后,定西市现有千吨以上的淀粉企业均可改建为变性淀粉企业,完成区域产业升级,对定西市和甘肃省马铃薯产业朝着高科技、高附加值方向发展具有十分重要的意义。

郭教授说,从全球变性淀粉消费增长的规律分析,当国家人均收入超过1000美元后,变性淀粉市场需求量将进入高速增长阶段。目前,我国变性淀粉市场正在以每年25%~27%的速度稳定增长,预计到2015年我国变性淀粉年需求量将达到500万吨。另外,还有人统计,2008年,全球人均消费变性淀粉数量为1.45公斤,美国人均消费15公斤,而我国人均年消费量只有0.85公斤,两相比较,也不难看出变性淀粉在我国还有巨大的市场增长空间。“早起的鸟儿有虫吃”,谁站在研发前沿,谁就有战略上的主动。

“据我们的估计,在圣大方舟的产业化投产将会产生每年10亿元以上的产值,同时会带动生物质基淀粉材料产业的兴起,解决富余的劳动力就业问题,带动低碳环保经济的发展,具有重要的社会意义和社会价值。”郭卫红教授对记者说。目前,由他们和宁波家联、甘肃圣大方舟马铃薯变性淀粉有限公司共同研发的非粮生物基全降解塑料,已经产业化生产并远销美国,为我国西部地区的区域经济发展和增长方式转型闯出了一片新天地。