生物降解聚合物的需求是与环境相关的重要发展趋势。如今，消费者对工业发展、二氧化碳排放量和化石燃料资源的保护始终保持关注。一些全球大品牌，如沃尔玛（Wal Mart），正在从石油基塑料转向生物降解塑料。生物降解聚合物的使用趋势受益于近年来石油基聚合物和生物降解聚合物之间价格差距的缩小。
生物降解聚合物的研究已经进行了超过10年，然而新产品在过去的5-7年内才进入市场。生物降解聚合物优先用于一些领域，如食品包装、手提袋和运输袋、农业覆盖膜以及一些适用的应用领域。一些大型供应商已经进军这个市场，包括NatureWorks LLC、Novamont和BASF。
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1. 生物降解聚合物的定义
根据ASTM标准，生物降解聚合物是一种受自然微生物如细菌、真菌和藻类作用而降解的聚合物材料，其中分解的结果是由这些微生物引发的。
标准化组织如欧洲标准化委员会（CEN）、国际标准化组织（ISO）和美国标准化协会（ASTM）等推动制定标准测试方法，以便确定生物降解性。全球对于聚合物材料在分解或产生甲烷气体的塑料废弃物流中的适用性评估标准的需求不断增加。
2. 聚合物分解机制
生物降解通常指由生物活性引发的降解，通常与非生物降解如光化学和水解同时发生，有时是由它们引发的。
许多不同种类的聚合物可以水解，不同的水解机制通常存在于大多数环境中。
生物降解通过酶的活动或由微生物（细菌、酵母菌等）排放的产物（如酸和过氧化物）来进行。此外，微生物有时可以吃掉和消化聚合物，而一些情况下，聚合物受到机械、化学和酶的老化影响。
3. 生物降解的确定方法
由于不同的聚合物生物降解机制不同，生物降解不仅依赖于聚合物的化学性质，还涉及到生物体系参与其中。在研究材料的生物降解时，环境因素是不可忽视的因素。细菌活动和生物降解受以下因素影响：
- 微生物的存在
- 氧气的可用性
- 水的量
- 温度
- 环境化学性质（如pH值、电性等）
通常有四种常见方法用于研究生物降解过程：
- 监测细菌的生长
- 监测底物的降解
- 监测产物的反应
- 监测底物性质的变化
4. 影响生物降解的因素
生物降解过程受到三个因素的影响：
- 环境是影响聚合物底物生物降解速率和程度的重要因素。
- 聚合物的化学性质调节了材料的物理和化学特性，以及其与环境的相互作用，从而影响了材料的分解过程和具体的降解机制。
- 聚合物与酶的互作能力非常重要，因为聚合物的生物降解通常涉及细胞外酶的活动，这是降解弹性体的第一步。
5. 生物降解聚合物的分类
商业上有三种类型的生物降解聚合物：
未经改性的天然聚合物容易被细菌和酶攻击。
合成聚酯类聚合物占主导地位。
经过改性的自然生物降解聚合物，经过添加剂和充填物的改性。
6. 市场上的一些生物降解聚合物
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Naturally Biodegradable Polymers
自然生物降解聚合物是在自然界中由所有生物生产的。生物降解通常由酶催化，并出现在水溶液中。自然分子包含可水解的键，例如蛋白质、纤维素和淀粉等，通常容易被微生物的水解酶生物降解。因此，聚合物的亲水/疏水性质对其生物降解过程产生重大影响。它还在潮湿条件下对性能和耐久性产生重大影响。
多糖类如淀粉是自然界中最常见的。脂肪酸聚酯类聚合物如聚羟基烷酸酯（PHA）也是一种自然生物降解聚合物，正在开始商业应用。
Synthetic Biodegradable Polymers
虽然自然聚合物是由生物生产的，但合成生物降解聚合物是人工制造的。
合成生物降解聚合物的主要类型包括具有可水解键和多聚物链的脂肪酸聚酯，如聚乳酸（PLA）。
Modified Naturally Biodegradable Polymers
在过去的几年里，已经采取了许多努力来改善合成生物降解聚合物，通过将来自多糖类的原材料组合在一起。
最突出的自然生物降解聚合物材料商业应用是由Novamont生产的Mater-Bi商标。该技术基于主要原料为淀粉。Novamont生产了多种不同类型的Mater-Bi，所有这些材料都包含不同合成成分的淀粉，如聚己内酯（PCL）。所得材料适用于制造薄膜、板材和注塑成型。
Starch-Based Biodegradable Polymers
在自然界中，除了可用的淀粉之外，第二种选择是纤维素。最重要的工业来源是玉米淀粉、小麦、马铃薯、甘薯和大米。
淀粉在许多环境中都可以完全生物降解，因此可以开发出满足特定市场需求的完全降解产品。在回收过程中，再生淀粉的降解或燃烧不会导致地球变暖。
Polyhydroxyalkanoates
聚羟基脂肪酸酯（PHA）是一类由具有生物降解能力的微生物生产的脂肪酸聚酯，它们提供了一系列从坚硬和脆弱到具有弹性的各种物理特性。
PHA的应用领域包括：
-食品包装
-家居用品
-家用电器
-农业覆盖膜
-医疗领域的一些产品（如骨板和手术伤口缝合）
Polylactic Acid Polyesters
Polylactic acid (PLA)是一种源自乳酸的生物降解聚合物。它是一种多功能材料，由100%可再生资源，如玉米、甜菜、小麦和其他富含淀粉的产品制成。聚乳酸具有许多与许多石油基塑料相当或更优的特性，使其适用于许多应用领域。
这种材料具有较低的拉伸强度，较高的延展性，以及更快的生物降解速度。PLA约为37%结晶，熔点为175-178°C，玻璃化转变温度为60-65°C。
在包装应用方面，PLA与石油基塑料进行了比较。它具有与聚苯乙烯相似的透明度和光泽，具有抗潮湿和抗油脂的特性，类似于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的防臭性。PLA的拉伸强度、伸长率和弹性也与PET进行了比较。
Polycaprolactone (PCL)
ε-caprolactone是一种环形分子的聚合物，其熔点在59-64°C之间，玻璃化转变温度为-60°C。这种聚合物具有高度的相容性，并最初在欧洲医疗领域用作生物降解的缝合材料。
与可再生能源混合的好处：
- 在淀粉和热塑性淀粉（TPS）混合物中防潮和增加耐久性
- 与聚乳酸（PLA）混合物中增强柔韧性和抗冲击性
- 作为加工辅助剂，改善了与聚羟基脂肪酸酯（PHA/PHB）一起使用时的机械性能
与石化原材料混合的好处：
- 促进生物降解过程的处理助剂
- 已获得食品接触批准
应用领域：
- 主要成分
- 添加剂
- 与其他生物塑料混合
- 适用于冰箱和冷冻应用
- 食品包装膜
- 电子设备 - 手机、外壳
- 汽车零件
- 一次性用品 - 购物袋、垃圾袋、一次性用品
- 农业膜、花盆夹、植物夹
- 剪刀、回收托盘等。