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纤维素材料——解决塑料污染的重要途径

已有 2002 次阅读 2023-5-26 15:09 |个人分类:ESG可持续发展|系统分类:科研笔记

523日参加了莱赛尔产业论坛,中国化纤协会张子昕的一句话让我记忆犹新,他说:莱赛尔纤维没有因环保概念获得任何溢价

然而,纤维素在纤维领域对塑料的替代已经是诸多领域中最高的,占比约10%;在薄膜、工程材料等其他大量使用塑料的领域,几乎还是空白,而这些领域才更需要使用环保的纤维素材料。

四丁基醋酸铵(TBAAc)为高性能纤维素材料代替塑料提供了加工平台。

 

1 塑料需要被替代

欧盟 (EU) 2019/904 一次性塑料指令中,强调了改性天然聚合物、生物基塑料、化石合成塑料都是塑料,不是天然存在的,要限制使用;未改性的天然聚合物在环境中自然发生,无需限制。原文是:

“Plastics manufactured with modified natural polymers, or plastics manufactured from bio-based, fossil or synthetic starting substances are not naturally occurring and should therefore be addressed by this Directive. The adapted definition of plastics should therefore cover polymer-based rubber items and bio-based and biodegradable plastics regardless of whether they are derived from biomass or are intended to biodegrade over time. ”

“Unmodified natural polymers……should not be covered by this Directive as they occur naturally in the environment”

微塑料无法环境降解,其环境积累不可逆,对地球环境的影响极为深远和广泛,近几年的一些研究令人脊背发凉:2021年,在人类胎盘中发现了微塑料颗粒;2022年,在人类血液中检测到微塑料颗粒。

为什么消费者不愿意为环保支付溢价呢?

因为环保从来就不能靠自觉,得靠法规和监管,得成为一种税。不接触海洋生物的人,不会在意自己手中的塑料袋未来有一天会落入海水中、进入一条海豚的胃并致其死亡,而是更在意价格。既然商家可以出售更便宜的塑料袋,既然别人可以购买和使用廉价的塑料制品,并不富裕的我当然也没有理由非得成为道德楷模,去购买和使用昂贵的可降解塑料或使用并不方便的纸制品。

法规和监管的制定不能靠拍脑门,税不能无限制地收,最好是出台法规之前就已经有可行塑料替代方案。

 

2 纤维素材料发展现状

纤维素是地球上产量最大的天然聚合物,每年超过100亿吨,也有说每年超过1000亿吨的,相比每年4亿吨的塑料产量,可谓是取之不尽。

纤维素不熔化、难溶解,至今没有理想的加工方法。最为成熟的粘胶工艺规模达到400万吨/年,产品可以作为纺织用的纤维,但力学性能不佳、无法形成均一透明薄膜,因此不足以替代其他塑料制品。

纤维素和木质素等天然聚合物当然不能溶于水,否则一下雨树就溶解不见,但海水和土壤可以使树木腐烂,因为有盐和微生物。盐可以使纤维素和木质素溶解、降解,循着这种思路,纤维素最合适的加工平台或许是熔盐溶液,也就是离子液体纤维素溶液。

适用于溶解纤维素的离子液体主要是咪唑类的,包括BMIMCl、AMIMCl、EMIMAc等,问题是造价太高。原料咪唑需要甲醛、乙二醛、氨、甲胺4分子缩成1分子,多分子合成的选择性高不了,导致咪唑价格就在6万元/吨以上,再合成咪唑类离子液体,成本得奔着10万/吨去了。

无意中在日本KOEI的官网看到推荐的纤维素溶剂是四烷基醋酸铵ILA48-32(最新推荐的是KOELIQ-SL01,即EMIMAc),查到全球领先的纤维素膜厂家日本二村化学所用的正是四丁基醋酸铵,原因也正是价格便宜

便宜,是工业化产品最大的优点。

四丁基醋酸铵(TBAAc)的原料三丁胺价格不到2万元/吨,于是我尝试合成了纤维素溶剂性良好的TBAAc,并整理了论文《离子液体纤维素溶剂的产业化进展》,23日已在期刊《纤维素科学与技术》获得网络首发,感兴趣的可以下载查看。

 

3 纤维素复合材料代替塑料

我最看好的是纤维素材料是纤维素复合材料,目标是替代塑料袋、塑料膜、塑料瓶、塑料盒等,这方面美国的NFW公司处于领先地位。

表1 已工业化离子液体纤维素材料项目

工业化年份

国别

企业名称

应用领域

所用离子液体

2010

日本

二村化学

再生纤维素膜

BMIMCl/TBAAc

2015

美国

Natural Fiber Welding

纤维素复合材料

EMIMAc

2020

中国

中科恒联

再生纤维素膜

AMIMCl

正如欧盟一次性塑料指令中所写,生物基塑料也是塑料,虽然生产加工过能能减少一些碳排放,但对于缓解塑料污染毫无作用;至于可降解塑料,参考去年中国石化与清华大学联合发布的《可降解塑料的环境影响评价与政策支撑研究报告》,PLA和PBAT的环境降解性并不理想,在海洋等水体中几乎不可降解。

纤维素和PHA(聚羟基脂肪酸酯)作为天然聚合物能从根本上避免塑料污染,考虑到价格,低端追求性价比的适合用纤维素复合材料,高端追求性能和人体植入的适合用PHA。

 

4 小结

无限看好纤维素复合材料的前景。

其发展道路不会是平坦的指数增长曲线,而是蓄势的同时影响法规的制定,待法规发布后再爆发式增长。

具体的替代逻辑和路径我得再整理一下,希望与有志之士合作前行。



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1 崔锦华

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