生物塑料在越來越多的市場中得到應用，從包裝到餐飲產品，從消費類電子產品到汽車，從農業/園藝和玩具到紡織品及其他幾個細分市場。包裝仍是生物塑料最大的應用領域，2020年其占生物塑料總市場的47%（99萬噸）。
生物塑料是生物基塑料和生物降解塑料的統一稱呼。根據權威的歐洲生物塑料協會定義方法，生物塑料可按照原料來源和產品功能性分為生物基塑料和生物降解塑料。 生物基塑料是指加工原料來自于可再生資源的塑料， 生物降解塑料是指在一定條件下可被自然界中的微生物降解的塑料。并非所有生物降解塑料均來自于可再生資源， 也可以來源于石油基。 生物基可降解塑料的原料來自于自然界的可再生碳源，在具備一定發酵降解的條件基礎上可被微生物降解， 如纖維素纖維，聚乳酸（PLA），聚羥基烷酸酯（PHA）， 聚丁二酸丁二酯（PBS）等。淀粉基塑料、PLA、PHA、PBS 是當下整個生物降解塑料市場中研究最多、市場化規模最大的四個主要品種，也是本文所要分析和討論的重點，下面將分別就四種主流技術的合成方法、優缺點、應用領域及改性進展做詳細敘述。 淀粉基塑料是以天然淀粉為原料，加以改性、接枝反應后，與其他混合物或者單體相混合，通過擠出、注塑等傳統熱塑性機器加工制成。含淀粉基塑料的植物資源多且地理分布廣泛，成本低廉，但單一淀粉基塑料存在質脆、力學性能差、粘度大、易吸水等問題，限制了它在既需要機械強度又需要熱穩定性的塑料工業中的應用。在實際應用中，一般均需要對淀粉進行物理共混或化學改性處理，以改善其熱塑加工性能。淀粉基復合降解塑料種類較多，研發歷史悠久，市場規模大，具有較好的應用前景。可用來替代聚乙烯、聚丙烯等常規塑料，應用于一次性餐具、食品容器、包裝材料、地膜、緩沖包材、玩具等領域。 PLA 是一種新型的生物降解材料，使用可再生的植物資源如玉米、甘蔗等所提煉出的淀粉原料制成，合成 PLA 主要有兩種方法，即乳酸直接縮聚法和丙交酯開環聚合法（又叫兩步法），其中兩步法聚合路線最常用，首先將乳 酸減壓蒸餾制得丙交酯，再以丙交酯為單體，在引發劑、 高溫和高真空條件下反應一定時間生成 PLA。PLA 兼具生物基來源和可生物降解屬性，無毒、無刺激性、易加工成型、強度高，但其脆性大、韌性差，結晶速率慢，在工程塑料應用領域受到一定限制。針對其韌性差、脆性大的缺陷，常采用改性的方法提升其綜合性能，且保證其生物降解性。P L A 具有與聚丙烯類似的力學性能，同時它的光澤度、清晰度和可加工性與聚苯乙烯相似，可通過擠出、注塑、吹塑等通用塑料加工方法加工成各種食品和飲料的包裝材料，醫用縫合線、組織工程支架等醫用材料也都有 PLA 的身影。
PHAs是由微生物通過各種碳源發酵而合成的脂肪族共聚聚酯，PHAs 具有不同的單體結構，因此種類繁多。根據單體鏈長可以分為短鏈 PHAs 和中長鏈 PHAs，根據聚合物中單體結構的規律性，PHAs 還可以分為均聚物、無規共聚物和嵌段共聚物。PHAs 主要有兩種合成方法，化學合成法和生物合成法。本材料具備熱可塑性、生物降解性，生物相容性，同時還具有一些特殊的材料學特征，如非線性光學活性、壓電性、氣體阻隔性等，其基本性能與聚丙烯相似，但其存在熱穩定性差、加工窗口較窄等缺陷，因此國內外專家和學者利用不同方法對 PHAs 進行改性研究。因其結構多樣，聚羥基烷酸酯材料在生物醫學、食品飲料包裝領域、工農業等方面都有著廣泛應用的前景。 PBS 以脂肪族丁二酸、丁二醇為主要生產原料，可以采用不可再生石化資源也可以采用自然界的可再生碳源生物發酵生產。P B S 的合成主要有三種方法，直接酯化法、 酯交換法、預聚體擴鏈法，常用的是直接酯化法。PBS 具有耐熱性較好、耐水解、加工性能好和良好的力學性能，是目前通用型降解塑料中加工性能最好的，可適用現行大多數成型加工方法，但 PBS 也存在一些缺陷，如相對分子質量較低，分子鏈中長支鏈少，缺少活性反應點且降解速率較慢等。因此，對 PBS 的研究焦點主要集中在改性方面，并做了大量工作。PBS 在生物醫用材料、食品藥品包裝，農用地膜等領域均得到了廣泛的應用。 生物基可降解塑料雖有可生物降解、良好的生物相容性等優點，但在實際應用時對其機械和力學性能等方面要求更高，對生物基可降解塑料加以改性處理則可拓寬其應用范疇，同時增強其綜合性能，是當前生物基可降解塑料研究的熱點方面。
淀粉基塑料改進處理主要是改善其熱塑成膜性能，可以通過對淀粉基塑料改性或者將其與其他可成膜材料共混制備復合生物降解塑料。淀粉和 P L A 共混復合可作為生物降解復合材料。生物降解過程是一個復雜的過程，Salazar-Sánchez 等共混制備了木薯淀粉和 PLA 混合的復合降解塑料，并通過擠出吹 塑的塑料加工方法加工成樣品，進一步地對樣品的生物降解過程進行了機理研究。通過研究發現，淀粉 /PLA 復合降解塑料生物降解過程大致上分為崩裂、破碎和礦化三個階段，崩裂階段在環境作用下由大塊塑料轉換成小顆粒塑料，破碎階段溫度升高引發其水解過程，而非生物降解因素引發，進一步地水解后化合物繼續生物降解。PLA 材料在生物降解過程中，在分子組成上分析，其碳氧雙鍵震動峰值發生變化，在表面結構上看，其表面會產生微生物作用形成的氣孔。淀粉為親水性物質，P L A 為疏水性物質，兩者簡單共混效果并不理想，因而需通過其他手段增加其共混效果。 PLA 固有缺點是脆性大，韌性差，力學性能不理想，通常是對其進行增韌改性。改性方法有物理改性、化學改性等，物理改性分為增塑改性、共混改性等 ，其中增塑改性為在加工過程中向 PLA 中加入增塑劑（增韌劑）以改善其韌性和力學性能；共混改性是通過 PLA 和其他共聚物共混使各物質的性能達到互補，以使復合物性能優異。增塑劑的加入可以增強 PLA 的韌性，明顯改善 PLA 的力學性能和玻璃化轉變溫度。一般可用作 PLA 的增塑劑的物質有甘油、丙烯酸樹脂、聚酯多元醇、檸檬酸酯等有機分子。采用反應性氨基硅烷偶聯劑和聚酯多元醇作為增塑劑加入到 PLA 和橡膠的共混物中，制備出韌性改善的生物降解復合膜。PHA 材料在加工和性能方面也存在一些缺點，如熱穩定性差、脆性強、綜合機械力學性能差、水氧阻隔性能差、加工窗口較窄、生產成本過高等，限制了 PHA 大規模工業化生產。針對 PHAs的加工改性方法有化學改性和物理改 性，其中化學改性包括接枝改性和嵌段改性，物理改性包 括聚合物共混、添加功能性小分子物質等。PBS 材料與 PLA 材料性能互補，大量研究人員對 PBS/ PLA 復合材料改性進行了研究。田偉等人向 PBS 中加入不同比例的多壁碳納米管／聚乳酸組成復合共混降解材料， PBS 的加入量為 10% 時，復合材料綜合性能最優，可制成導電 3D 打印耗材。隨著全球環保理念的深入人心和中國禁限塑政策的不斷推行，生物降解塑料市場將在國內迎來爆發式增長。近幾年，全球生物降解塑料產量和市場規模均呈現快速增長的勢頭，2018 年產量 65 萬噸，市場規模 50.4 億元，而國內生物降解塑料發展比較晚，現階段市場占有率不高，但隨著國家在 2020 年初出臺了塑料制品污染治理的意見，證實了國家高度重視經濟可持續發展和環境友好構建的政策導向，國內生物降解塑料市場將迎來發展高潮。研發歷史最悠久，市場規模大，現在市面上已存在多種淀粉基生物塑料成品，包括有 Warner-Lambert 公司的Novon 產品、Novamont 公司的 Mater-Bi 產品和 Biotec 公司的 Bioplast 塑料制品，國內生產單位有武漢華麗、成都新柯力、天津丹海等公司，生產規模逐年擴大，淀粉與 PLA、PVA、PCL 等生物降解塑料共混粒料已批量生產，在一次性餐具、食品包裝材料、緩沖包材、玩具等領域均有應用。PLA 生物降解材料因具有無毒、易加工成型、強度高等眾多優點，是近十幾年來開發研究最活躍、發展最快的生物降解塑料，其中全球范圍內最大的生產廠商是美 國的 Nature Works，以發酵玉米中葡萄糖的工藝技術生產 PLA，約占全球產能的 40%，其次是荷蘭 Total Corbion 公司，并已在泰國建成年產 75 kt 的 PLA 生產線。國內生產 PLA 的龍頭企業是浙江海正生物材料有限公司，其產品眾多，覆蓋了擠片、注塑、吸塑、紡絲、雙向拉伸膜、吹膜等不同加工用途的產品，其次是上海同杰良生物材料有限公司。PLA 在全球范圍內均有所銷售，適用于食品藥品包裝、紡織纖維產品或者打印耗材多種領域，其中主要是以復合塑料的形式應用于包裝、紡織纖維和薄膜領域。近些年，眾多企業和研究機構還在改進其生產工藝和制造方法方面開展大量的工作，初步預估，PLA 的生產規模和應用領域仍會保持較高速度的增長。現階段，全球范圍內規模化生產 PHAs 的生產單位有美國 Metabolix 公司、ADM 公司和日本 Kaneka，國內生產規模最大的企業是天津國韻生物材料有限公司，其中主流技術是 P3HB4HB 與 PLA 的共混改性復合材料，但現全球產能合計不足 100kt/a。PHAs 系列產品中有很多仍處于研究小試階段，成本高昂是限制 PHAs 大規模工業化生產和廣 泛應用的主要因素。據粗略估計，第四代 PHAs 生物降解 材料的價格約是 PLA 的 3.5 倍、PBS 的 2 倍、PBAT 的 3.2 倍等。產業化已有四代產品的 PHAs 廣泛適用于綠色包裝 材料、食品包裝、生物醫學組織工程、農業領域等。PBS 材料相較于其他生物降解塑料而言，加工性能和力學性能都有明顯優勢，耐熱性能好，改性后使用溫度可超過 100℃，可應用到各種冷熱包裝領域和快遞餐盒，在現有通用塑料加工設備上加工成型，各類產品綜合性能優良，已得到較廣泛應用。全球主要的生產企業有美國 Eastman 公司和日本昭和高分子公司、三菱公司。我國 PBS 生產企業有杭州鑫富科技有限公司、安徽安慶和興化工公司等，眾多企業積極投資、構建 PBS、PBAT 的生產線，產業化進程不斷加速推進。PBS 材料主要應用在人造軟骨、縫合線、人造支架等各種醫用材料以及包裝材料、復合纖維材料等領域。生物基可降解塑料雖市場巨大、前景廣闊，也取得了一些改進和應用的成果，但仍存在一些問題。現存問題主要有：現階段還尚未像通用塑料生產工藝和加工設備那樣成熟、通用，造成其生產成本與售價高昂，大規模廣泛應用受到限制。生物降解塑料雖在環保方面具有優勢，但因其力學性能、加工性能和使用穩定性等方面大多存在固定 缺陷，改性工藝尚不成熟，機制中存在著不可避免的劣勢。生物降解過程影響因素眾多，微生物、空氣、土壤、環境溫濕度、酸堿度等狀況復雜多變，因此，使用完以后降解 過程不可控，降解周期不明確；生物降解塑料生產工業化 時間較通用塑料晚，現雖已有國際標準和行業標準，但各 標準試用條件不盡相同，市場較為混亂。生物降解塑料生產企業進一步優化環保產品生產工藝，針對具體產品對癥下藥，將原有設備加以改良，以適 應新產品的生產工藝；或擴大生產裝置的適用性，以同時 生產多種生物降解塑料產品，實現經濟高效生產。國家層 面一方面加強公共宣傳和引導工作，進一步提升公眾的環 保意識，并可借鑒其他國家購買環保塑料產品給與公眾補 助的做法；另一方面設立專項資金和系列補助政策，用于 支持生物降解塑料產業發展。生物塑料固有性能缺陷，大部分材料無法單獨使用， 對其進行改進工藝研究勢在必行且成為了一項重要工作。生物降解塑料行業可通過功能物質與一種或多種生物降解 塑料共混制備復合材料，以性能互補，形成性能優異的復 合物，發展完善的生物降解材料改進工藝，使其改進機制 走向成熟。生物塑料降解過程機理研究尚不成熟，生產企業應創 新思維，充分利用高精尖院校、研究機構的人才和設備優 勢，加強和各科研院所、機構的合作，形成產學研合作集 群。加深對生物降解塑料的機理研究，積極探索各種條件 對其降解過程的影響，并形成規律性、普適性的研究成果。還可以培育微生物菌群，尋找新的生物降解塑料和可以降 解現用塑料的微生物。生物可降解塑料需要兼具生物來源、可降解性。因此， 生物可降解塑料行業應從生物來源鑒定方法、可降解性兩 方面入手，盡快促成國家行業生產標準與國際標準統一， 測定參數與檢驗標準具有可比性、可換算性，檢測標準能 高度仿真真實的降解行為，這不僅不僅有助于產業的健康 發展，促進市場快速形成，推動行業迅速成長，更有利于產品走向國際市場。
