撰文 | 魏昕宇（高分子科學(xué)與工程專業(yè)博士）

毫無疑問，塑料以及其他形式的聚合物給我們的生活帶來了極大的便利。然而絕大部分塑料生產(chǎn)所需要的原料都是來自石油、煤、天然氣等不可再生的化石能源。據(jù)統(tǒng)計，全世界石油開采量的約6%被用于塑料生產(chǎn)[1]。隨著這些資源的儲量日漸減少，我們不得不思考一個問題：假如有一天這些化石燃料都用完了，我們拿什么來生產(chǎn)塑料呢？

一些研究人員指出，即便石油用完了，地球上還有儲量豐富的生物質(zhì)，即構(gòu)成生物體的有機(jī)物。如果用生物質(zhì)代替石油作為塑料生產(chǎn)的原料，不就可以讓塑料工業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展了嗎？他們還給這樣的塑料起了一個新名字：生物塑料(bio-based plastics)。

生物塑料的概念聽起來確實(shí)很美好，然而我們不免要問幾個問題：

首先，生物質(zhì)夠用嗎？這個不必?fù)?dān)心。既然生物質(zhì)資源如此豐富，為什么它們并沒有成為生產(chǎn)塑料的主力呢？據(jù)估算，地球上每年新被生產(chǎn)出來的生物質(zhì)就高達(dá)一千億噸，其中只有大約3.5%被人類所利用[2]。作為對比，目前全世界的塑料產(chǎn)量不過是3億噸左右[3]。如果把這些生物質(zhì)全部轉(zhuǎn)化為塑料，用來滿足人們的需求可以說是綽綽有余。但問題隨之而來：既然生物質(zhì)資源如此豐富，為什么它們并沒有成為生產(chǎn)塑料的主力呢？要回答這個問題，我們需要簡單回顧一下塑料的發(fā)展歷程。

眾所周知，生物質(zhì)中有相當(dāng)一部分是天然存在的高分子材料，例如纖維素、蛋白質(zhì)和天然橡膠，而我們的祖先也很早就學(xué)會利用它們。但與合成塑料相比，它們要么性能還不夠理想，要么其生產(chǎn)受到很多因素的制約。例如廣泛存在于植物特別是木材中的纖維素，是地球上儲量最豐富的天然高分子。然而纖維素難以溶于常見的溶劑，高溫下也很難熔化，加工起來遠(yuǎn)不如合成塑料方便。因此我們雖然可以用木材蓋房子和造紙，卻很難把它們像塑料那樣做成更多的器具。又如天然橡膠來自于橡膠樹的乳液，而橡膠樹只能生長在高溫多雨的熱帶、亞熱帶地區(qū)。那些主要處于溫帶、寒帶的國家和地區(qū)由于缺乏相應(yīng)種植條件，只能進(jìn)口天然橡膠，如果戰(zhàn)爭等原因?qū)е鹿?yīng)中斷，國計民生很可能會受到嚴(yán)重的影響。一個典型的例子是第二次世界大戰(zhàn)太平洋戰(zhàn)場爆發(fā)后，美國與橡膠主要產(chǎn)地東南亞的聯(lián)系被切斷，一時間大量的汽車和飛機(jī)沒有輪胎可用，真是苦不堪言。

好在進(jìn)入20世紀(jì)后，隨著高分子科學(xué)的誕生和發(fā)展，人們已經(jīng)意識到高分子化合物實(shí)際上是由特定的小分子，也就是通常所說的單體，通過聚合反應(yīng)得到的，而許多單體都可以從石油等化石能源中提煉出來。很快，人們開始嘗試從通過這些單體來合成高分子化合物，并且從一系列成功中嘗到了甜頭：與天然的高分子材料相比，基于化石燃料的合成塑料、合成橡膠和化學(xué)纖維不僅成本也更為低廉，生產(chǎn)加工更少受自然條件的制約，而且性能也更加優(yōu)越。因此，來源于生物質(zhì)的高分子材料雖然仍然在我們生活中占有一席之地，卻已經(jīng)不再占據(jù)舞臺的主角位置。

然而隨著化石燃料儲量的日漸枯竭，加之使用化石燃料造成的氣候變暖日益嚴(yán)重，開發(fā)生物塑料的呼聲日漸高漲。顯然，生物塑料要想取得成功，很關(guān)鍵的一點(diǎn)就是我們能否改以生物質(zhì)為原料得到所需要的單體，這樣才能保證合成出來的材料與目前的塑料相仿。那么這一目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)呢？首先我們需要了解的是，合成塑料的單體究竟具有什么樣的結(jié)構(gòu)呢？

目標(biāo)分子：請認(rèn)準(zhǔn)它們

如果將世界范圍內(nèi)塑料的產(chǎn)量按照類型排序，排在前幾名的大概要數(shù)聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET)這幾種，而它們正好代表了截然不同的兩類塑料合成所需的單體。聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯的共同點(diǎn)是它們的單體——乙烯、丙烯和氯乙烯的分子中含有碳碳雙鍵這種結(jié)構(gòu)。我們知道，碳原子在形成化合物時，總共有四只“手”可以用——可以通過化學(xué)鍵連接四個原子。而在乙烯、丙烯等分子中，由于碳碳雙鍵的存在，碳原子只連接了三個原子，在合適的條件下還可以連接第四個原子，從而實(shí)現(xiàn)聚合反應(yīng)的發(fā)生。除了這幾種塑料，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯（有機(jī)玻璃）等常見塑料以及大多數(shù)的合成橡膠的單體中也都含有碳碳雙鍵，可以說這是對塑料工業(yè)至關(guān)重要的一種化學(xué)結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，由于化學(xué)結(jié)構(gòu)的區(qū)別，并非所有含有碳碳雙鍵的化合物都可以很容易地發(fā)生聚合反應(yīng)變成高分子化合物，但我們?nèi)匀挥锌赡馨押刑继茧p鍵的化合物轉(zhuǎn)化為其他可以發(fā)生聚合反應(yīng)的物質(zhì)。因此，如果能夠從生物質(zhì)中找到這一類結(jié)構(gòu)，我們距離成功就不遠(yuǎn)了。

含有碳碳雙鍵的化合物是合成塑料的重要原料

聚對苯二甲酸乙二醇酯的合成則可以用通式AA+BB來表示，其中A和B分別表示能夠互相發(fā)生反應(yīng)并連接到一起的化學(xué)結(jié)構(gòu)。在聚對苯二甲酸乙二醇酯這個例子中，A代表羧酸，B則代表醇，它們之間能夠發(fā)生酯化反應(yīng)從而連到一起。聚對苯二甲酸乙二醇酯的合成不僅需要分別帶有酸和醇官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的兩種單體，它還要求每一種單體的分子中都必須帶有至少兩個酸或醇的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)，才能得到聚合物，真可謂“一個巴掌拍不響”。除了聚對苯二甲酸乙二醇酯，尼龍、聚氨酯、聚碳酸酯、環(huán)氧樹脂等等我們耳熟能詳?shù)乃芰弦彩峭ㄟ^AA + BB的途徑得到的。這一類型的聚合反應(yīng)還有一種變通的形式，那就是分子中同時含有兩種化學(xué)結(jié)構(gòu)的AB型分子。例如乳酸中同時含有酸和醇兩種結(jié)構(gòu)，因此可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)得到聚乳酸[4]。如果能夠從生物質(zhì)中找到這幾種分子，我們也有希望得到需要的塑料。

聚對苯二甲酸乙二醇酯的合成（圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Polyethylene_terephthalate）

好了，現(xiàn)在我們要找的目標(biāo)化合物已經(jīng)明確了，接下來就該看一下形形色色的生物質(zhì)能否滿足我們的需求了。

碳水化合物：看我七十二變

碳水化合物包括了葡萄糖、果糖、蔗糖等小分子糖類以及淀粉、纖維素等高分子化合物（多糖），是非常重要的一類生物質(zhì)，也備受生物塑料開發(fā)者的重視。通過生物發(fā)酵或者化學(xué)過程，我們可以把碳水化合物變成許多有用的原材料。例如將糖類通過發(fā)酵變成乙醇是我們非常熟悉的過程，而乙醇只要再失去一分子水就變成了乙烯。有了乙烯，聚乙烯的生產(chǎn)就不用愁了。以這種方法得到的“生物聚乙烯”化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能與以石油為原料生產(chǎn)的聚乙烯完全相同，因此可以直接替代后者。

目前已經(jīng)有不少化工企業(yè)建立了生物聚乙烯的試驗(yàn)性生產(chǎn)線，例如巴西的化工企業(yè)布拉斯科以甘蔗為原料，已經(jīng)擁有了年產(chǎn)20萬噸聚乙烯的能力[5]。除了生產(chǎn)聚乙烯，乙烯還可以被轉(zhuǎn)化為氯乙烯、苯乙烯、環(huán)氧乙烷、乙二醇等重要的單體，從而使得聚氯乙烯、聚苯乙烯等塑料的生產(chǎn)也可以完全或者部分改以生物質(zhì)為原料[6,7]。

除了乙烯，在眾多的碳水化合物中我們還可以得到許多好東西。首先值得一提的是乳酸。由乳酸我們可以得到著名的生物可降解塑料——聚乳酸。由于能夠在環(huán)境中被降解，聚乳酸備受人們的青睞，不僅早就被用于醫(yī)藥領(lǐng)域，近些年來更是被用來取代其他塑料作為包裝材料。

另一種重要的原料是2,5-呋喃二甲酸。它有什么用呢？前面我們提到聚對苯二甲酸乙二醇酯是一種非常重要的塑料，大量用于食品包裝特別是軟飲料的飲料瓶。因此研究人員早就希望改以生物質(zhì)為原料生產(chǎn)它。在生產(chǎn)聚對苯二甲酸乙二醇酯需要的兩種單體中，乙二醇可以很方便地從碳水化合物轉(zhuǎn)化而來，但要想從生物質(zhì)中得到聚對苯二甲酸則比較困難[8]。

后來有研究人員發(fā)現(xiàn)，用2,5-呋喃二甲酸代替對苯二甲酸與乙二醇反應(yīng)得到的聚呋喃二甲酸乙二醇酯（簡稱PEF）的性質(zhì)與聚對苯二甲酸乙二醇酯相仿甚至更優(yōu)，例如聚呋喃二甲酸乙二醇酯對氣體的阻隔能力是聚對苯二甲酸乙二醇酯的數(shù)倍，因此更適合用作食品外包裝[9,10]。不僅如此，使用聚呋喃二甲酸乙二醇酯代替聚對苯二甲酸乙二醇酯還能顯著降低生產(chǎn)過程中的能源消耗和溫室氣體排放。有分析表明，如果完全改以聚呋喃二甲酸乙二醇酯生產(chǎn)飲料瓶，每年節(jié)省下來的能源相當(dāng)于荷蘭全國的能源消耗[11]。

2,5-呋喃二甲酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

不難看出，以碳水化合物為起點(diǎn)，我們已經(jīng)可以得到許多重要的塑料。這一領(lǐng)域未來的一大發(fā)展重點(diǎn)是如何使用纖維素而不是淀粉或者小分子糖類而原料，從而盡量減輕對糧食生產(chǎn)的影響，但纖維素轉(zhuǎn)化起來要比淀粉和糖困難許多，因此仍然有許多挑戰(zhàn)等待研究人員去解決。

油：流動的寶庫

另一類非常重要的生物質(zhì)是油脂，特別是植物油。眾所周知，植物油和動物油都是脂肪酸的甘油酯，但常溫下動物油多為固體，而植物油則通常為液體。之所以有這種差別，是因?yàn)闃?gòu)成植物油的脂肪酸多為不飽和脂肪酸，即分子中含有一個或者多個碳碳雙鍵。相反，構(gòu)成動物油的脂肪酸主要為飽和脂肪酸，分子中不含任何碳碳雙鍵。正是碳碳雙鍵的存在使得植物油的熔點(diǎn)低于室溫。

看到碳碳雙鍵，很多朋友可能會眼睛一亮：這不就是我們尋找的合成塑料的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)嘛。遺憾的是，不飽和脂肪酸中的雙鍵屬于前面提到的不容易直接聚合的那一類，但并不妨礙植物油成為塑料工業(yè)的重要原材料。

我們都知道，食用油以及含有油脂的食物放久了會發(fā)生酸敗，即俗稱的產(chǎn)生“哈喇味”。這是因?yàn)椴伙柡椭舅嶂械奶继茧p鍵在與空氣的長期接觸中被氧化，生成的許多產(chǎn)物具有難聞的味道，加之油脂在儲存過程中水解產(chǎn)生的某些脂肪酸也有臭味，從而讓油脂變質(zhì)。不飽和脂肪酸的這一特點(diǎn)成為植物油長期存儲的大敵，卻也可以為我們所用。這是因?yàn)槿绻参镉头肿又泻械奶继茧p鍵足夠多，氧化作用就可以把分子們逐個連接起來變成聚合物，這樣的油就是通常所說的干性油。我們的前輩們很早就懂得在木器的表面涂上桐油等植物油，經(jīng)過一段時間，木器表面就形成了一層具有保護(hù)作用的薄膜。構(gòu)成桐油的脂肪酸主要是含有三個碳碳雙鍵的桐酸。這么多的雙鍵使得桐油很容易發(fā)生酸敗，不適合用于烹飪，卻讓它成為干性油的最佳選擇。

干性油的固化機(jī)制

現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展使得我們可以通過碳碳雙鍵把植物油變成更多有用的原料，其中一個典型的例子就是蓖麻油。構(gòu)成蓖麻油的脂肪酸主要是蓖麻油酸，這是一種很特別的脂肪酸，因?yàn)樗姆肿又胁粌H中含有一個碳碳雙鍵，距離雙鍵不遠(yuǎn)處還有一個羥基。羥基的存在使得蓖麻油酸中的雙鍵在高溫下很容易被轉(zhuǎn)化為其他結(jié)構(gòu)。例如在堿性條件下，蓖麻油酸可以被轉(zhuǎn)化為癸二酸，也就是分子中原本含有一個羧酸結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在含有了兩個羧酸，也就是說，它具備了發(fā)生聚合反應(yīng)的條件。如果讓癸二酸與己六胺發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，就可以得到重要的塑料尼龍6,10. 在另外的條件下，蓖麻油酸還可以被轉(zhuǎn)化為十一烯酸，后者又可以被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為11-氨基十一酸。這是一個典型的AB型分子，通過聚合反應(yīng)可以得到另一種重要的尼龍——尼龍11[12]。目前市場上的尼龍6, 10和尼龍11都是以蓖麻油為原料生產(chǎn)的，如果改以石油裂解產(chǎn)物為原料，步驟反而比較繁瑣[6]。這個例子很好地說明相比于化石能源，生物質(zhì)在某些時候會具有獨(dú)特的優(yōu)勢。由于蓖麻油的價格較其他植物油更高，因此近些年來研究人員致力于將其他植物油轉(zhuǎn)化為AA+BB或者AB式的單體，取得了一定的進(jìn)展。

蓖麻油酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

以蓖麻油為原料生產(chǎn)尼龍6, 10和尼龍11的流程示意圖（圖片引自參考文獻(xiàn)[12]）

在前面這個例子中，我們利用的只是脂肪酸，但植物油在水解產(chǎn)生脂肪酸的同時還會生成甘油。另外，大量的植物油被用于生產(chǎn)生物柴油，這需要將油脂也就是脂肪酸甘油酯轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的脂肪酸甲酯，同樣會產(chǎn)生大量的甘油。這些甘油如何利用起來比較好呢？有研究人員發(fā)現(xiàn)，在合適的條件下，甘油可以被轉(zhuǎn)化為環(huán)氧氯丙烷，而環(huán)氧氯丙烷則是合成環(huán)氧樹脂這種重要的塑料的原料之一。環(huán)氧氯丙烷本來是通過石油裂解產(chǎn)生的丙烯來合成的，通過這樣的改變，環(huán)氧樹脂也可以部分地改以生物質(zhì)為原料了。有趣的是，本來環(huán)氧氯丙烷被用來合成甘油，隨著對生物質(zhì)利用的不斷深入，這一過程現(xiàn)在完全轉(zhuǎn)換了方向。

除了植物油，另一類帶有“油”字的生物質(zhì)是松節(jié)油、香精油等植物提取物。雖然名稱中同樣含有油字，它們的主要成分卻并非脂肪酸甘油酯，而是含有萜烯及其萜烯的衍生物（萜烯一般指通式為(C5H8)n的鏈狀或環(huán)狀烯烴類）。這也是一類分子中含有碳碳雙鍵的化合物，其中結(jié)構(gòu)最簡單的萜烯是異戊二烯。這個名字聽起來或許很陌生，但它聚合之后得到的高分子化合物相信大家都很熟悉，那就是大名鼎鼎的天然橡膠。與異戊二烯相比，其他的萜烯過去較少受到塑料工業(yè)的關(guān)注，主要是用作溶劑、香料或者藥物。新的研究表明，許多萜烯要么也可以像異戊二烯一樣直接聚合，要么可以轉(zhuǎn)化為其他類型的單體，許多基于萜烯的新型高分子材料已經(jīng)出現(xiàn)。

萜烯類生物質(zhì)如果用作塑料工業(yè)的原料，可能面臨的一大缺陷是植物精油的產(chǎn)量通常不如其他生物質(zhì)，因此成本較高。但一些萜烯的可利用量仍然比較可觀，例如橘子、檸檬等柑橘類水果的果皮之所以帶有令人愉悅的香氣，主要是由于其中含有的萜烯類化合物——檸烯。我們在吃桔子時，通?？偸前呀圩悠と拥?。但如果把桔子皮集中起來，每年大約能提取出52萬噸檸烯，是相當(dāng)豐富的資源[13]。因此基于萜烯的塑料也有望在市場上打拼出屬于自己的地盤。

木質(zhì)素：待開墾的荒原

除了碳水化合物和油脂，還有一種儲量豐富但常常被忽視的生物質(zhì)，那就是木質(zhì)素。木質(zhì)素是一種結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的天然高分子化合物，在高等植物中，木質(zhì)素與細(xì)胞壁中的半纖維素通過共價鍵連接，像膠水一樣把植物細(xì)胞粘合起來，在增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度的同時還能夠讓植物細(xì)胞更好地保有水分。毫不夸張地說，沒有木質(zhì)素，就沒有今天廣布地球各地的樹木和森林。在木材中，木質(zhì)素可以占到總重的20-30%，是儲量僅次于纖維素的天然高分子化合物。

木質(zhì)素的局部化學(xué)結(jié)構(gòu)

木質(zhì)素的一大來源是造紙工業(yè)。這是因?yàn)榱舸嬖诩垙堉械哪举|(zhì)素會隨著時間推移而氧化變色，從而使得紙張發(fā)黃。因此為了提高紙張的質(zhì)量，生產(chǎn)者會利用化學(xué)方法將木質(zhì)素與木材纖維相分離，從而產(chǎn)生大量的木質(zhì)素，許多木質(zhì)素在干燥后會被直接燒掉，用來給造紙過程提供能源，這對于一種天然高分子化合物來說未免有點(diǎn)大材小用。因此，近年來，各國的研究人員都在探索如何從木質(zhì)素中發(fā)掘更大的價值。

木質(zhì)素之所以備受人們的關(guān)注，是因?yàn)樗哂衅渌镔|(zhì)中通常比較少見的結(jié)構(gòu)，那就是苯環(huán)。苯及其衍生物在許多領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用，在塑料工業(yè)中也是如此。例如前面提到的聚苯二甲酸乙二醇酯，其單體之一對苯二甲酸每個分子中都含有一個苯環(huán)，這保證了聚苯二甲酸乙二醇酯具有良好的性質(zhì)。研究人員最初開發(fā)這一類材料時，使用的是沒有苯環(huán)的脂肪族羧酸，結(jié)果得到的聚合物熔點(diǎn)不夠高，遇到熱水就會變軟，因此實(shí)際應(yīng)用大大受限。后來研究人員改用對苯二甲酸作為原料，才使得聚合物的耐熱性大大提高。正是由于這個原因，改用完全的生物質(zhì)來生產(chǎn)聚苯二甲酸乙二醇酯或者類似的材料頗具挑戰(zhàn)性。

除了前面提到的以2,5-呋喃二甲酸代替對苯二甲酸，還有研究人員打起了木質(zhì)素的主意。木質(zhì)素經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砜梢员晦D(zhuǎn)化為香草醛。通常這樣得到的香草醛都是作為香料使用，但如果通過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)，它們也可以變成聚合物。由于香草醛中同樣含有苯環(huán)，這樣得到的聚合物性能也與聚對苯二甲酸乙二醇酯頗為類似[14]。

向天空要原料

我們知道，構(gòu)成地球上所有生物的有機(jī)物，其中的碳元素歸根結(jié)底都是來自于大氣中的二氧化碳。因此，當(dāng)我們在尋找其他原料用于替代石油生產(chǎn)塑料時，不要忘記二氧化碳也是值得考慮的對象。由于二氧化碳直接來自大氣，而不像生物質(zhì)需要占用土地等資源才能獲取，因此如果能夠直接通過二氧化碳生產(chǎn)塑料，生產(chǎn)成本不僅有可能進(jìn)一步降低，還有可能直接消耗燃燒化石燃料產(chǎn)生的二氧化碳，從而對緩解氣候變暖做出更大的貢獻(xiàn)。

二氧化碳雖然看起來化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，但在合適的條件下，它可以被轉(zhuǎn)化為許多有機(jī)物。這其中最令塑料工業(yè)感興趣的是二氧化碳與環(huán)氧化合物的化學(xué)反應(yīng)。在催化劑作用下，它們會交替地發(fā)生聚合反應(yīng)，即二氧化碳分子先與環(huán)氧化合物反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物再與二氧化碳反應(yīng)，如此往復(fù)[15,16]。最終得到的聚合物可以用于不同的用途，例如高分子量的聚合物可以直接被用作材料，而分子量相對較低的聚合物則可以通過進(jìn)一步的反應(yīng)得到另一類重要的聚合物材料聚氨酯[17]。

二氧化碳和環(huán)氧化合物可以在適當(dāng)?shù)臈l件下共同反應(yīng)生成聚合物

雖然這種方法只是部分地將基于石油的原料用二氧化碳取代，對環(huán)境的正面影響仍然是相當(dāng)可觀的。例如有研究表明，如果塑料中只有20%的質(zhì)量來自二氧化碳，雖然總的生產(chǎn)過程仍然會造成溫室氣體排放，并不能起到從儲存二氧化碳的作用，但與完全基于化石能源的塑料相比，溫室氣體的排放量可以降低10-20%[18]。目前已經(jīng)有研究人員嘗試直接利用火電廠尾氣中的二氧化碳為原料生產(chǎn)塑料，并取得了成功[19]。

也有研究人員不滿足于這個成績，希望將環(huán)氧化合物也用來自生物質(zhì)的原料代替，經(jīng)過反復(fù)的摸索，他們找到了合適的選擇，那就是前面提到的檸烯。檸烯被氧化后得到的環(huán)氧化合物氧化檸烯在特定催化劑作用下可以和二氧化碳一起聚合，得到的聚合物性能可以媲美聚碳酸酯[20]。聚碳酸酯的主要特點(diǎn)是高度透明，并且耐熱、耐沖擊，因此是頗受歡迎的工程塑料。聚碳酸酯的生產(chǎn)目前不僅完全依賴于石油化工的產(chǎn)物，而且其單體之一的雙酚A由于有可能干擾人體體內(nèi)某些內(nèi)分泌過程，導(dǎo)致聚碳酸酯的應(yīng)用受到一些限制。相反，檸烯是柑橘類水果加工和消費(fèi)過程中的副產(chǎn)物。如果這種新材料能夠取代聚碳酸酯物，無疑將有利于保護(hù)環(huán)境和節(jié)約資源。

以二氧化碳和檸烯為單體合成的聚合物透明程度、機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性能都與聚碳酸酯接近，在未來或可全面取代聚碳酸酯（圖片引自參考文獻(xiàn)[20]）

除了直接聚合得到塑料，二氧化碳還有可能被用來合成其他重要的單體。例如前面提到的2,5-呋喃二甲酸，目前主要來自于果糖等單糖的發(fā)酵。如果用木質(zhì)纖維素代替果糖，原料的成本會大大降低，且可以更好地避免與糧食生產(chǎn)的沖突。然而通過發(fā)酵木質(zhì)纖維素來得到2,5-呋喃二甲酸頗為困難。相比之下，將木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為呋喃甲醛（糠醛）已經(jīng)有比較成熟的路線可循，而呋喃甲醛又可以比較容易地被轉(zhuǎn)化為2-呋喃甲酸。2-呋喃甲酸由于分子中只有一個羧酸結(jié)構(gòu)，以前無法作為塑料的單體使用，但最近有研究表明，在適當(dāng)?shù)臈l件下，2-呋喃甲酸能與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)變成2,5-呋喃二甲酸 [21]，這無異于為這一重要塑料單體的生產(chǎn)開辟了一條新的“康莊大道”。相信在不遠(yuǎn)的將來，這些基于二氧化碳的聚合物將會有更加光明的前景。

來自細(xì)菌的塑料

還有一類基于生物質(zhì)的聚合物較少為普通讀者所了解，那就是聚羥基烷酸酯 (polyhydroxyalkanoates,PHA). 這類材料有一個獨(dú)特之處，那就是它們的合成完全由微生物完成。目前已知有數(shù)百種細(xì)菌都具有合成聚羥基烷酸酯的能力，特別是在碳源過剩，而氧、氮、磷等營養(yǎng)元素的供應(yīng)相對緊張時，這些細(xì)菌會合成這一類聚合物累積在細(xì)胞間質(zhì)中，作為儲存能源和碳元素的媒介[22-24]。

聚羥基烷酸酯的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

那么聚羥基烷酸酯有什么特別之處呢？首先，與其他的天然高分子化合物相比，聚羥基烷酸酯的性能更接近合成塑料，加工起來也更為方便。而且聚羥基烷酸酯不是一種聚合物，而是一大類具有相似結(jié)構(gòu)的聚合物的統(tǒng)稱，它們的性質(zhì)會隨著結(jié)構(gòu)的不同而發(fā)生很大變化。因此，通過調(diào)整生產(chǎn)條件，我們可以很方便地得到很多功能各異的材料。

另外，與前面提到的聚乳酸一樣，聚羥基烷酸酯也可以被生物降解，因此不僅可以用于醫(yī)療設(shè)備，還可以作為包裝材料，以緩解日益嚴(yán)峻的白色污染問題。但聚乳酸的生產(chǎn)需要先將糖類發(fā)酵變成乳酸，再將其聚合，需要多個步驟。相反，所以，聚羥基烷酸酯的生產(chǎn)則不需要這么麻煩，只需要為細(xì)菌提供合適的條件，就可以“坐享其成”了。

然而聚羥基烷酸酯的缺陷也很明顯，那就是目前的生物發(fā)酵技術(shù)無論效率還是成本都還不盡如人意。因此，聚羥基烷酸酯在市場上的競爭力不僅難以匹敵傳統(tǒng)的合成塑料，也不如許多新興的生物塑料。這一類材料要想在競爭激烈的塑料市場上站穩(wěn)腳跟，研究人員還有許多功課要做，例如通過基因工程技術(shù)來提高細(xì)菌合成聚羥基烷酸酯的效率等。

機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存

通過上面的分析我們不難發(fā)現(xiàn)，從技術(shù)的角度來看，以生物質(zhì)代替化石能源作為塑料生產(chǎn)的原料是完全可行的。事實(shí)上，有分析表明，聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚對苯二甲酸乙二醇酯這四種需求量最大的塑料可以實(shí)現(xiàn)100%為生物塑料替代[25]。然而技術(shù)上的可行僅僅是問題的一方面，要想讓生物塑料在市場上能夠獲得成功，我們還必須考慮以下幾個問題：

首先，與傳統(tǒng)塑料相比，生物塑料在性價比上能否占有優(yōu)勢？這是一個非常關(guān)鍵的問題。有許多調(diào)查研究都表明，雖然許多受訪的消費(fèi)者都表示愿意支持更加綠色環(huán)保和生產(chǎn)上更具有可持續(xù)性的產(chǎn)品，但到了要掏腰包的時候，仍然會精打細(xì)算，如果生物塑料比傳統(tǒng)塑料貴得太多，很多人還是更傾向于傳統(tǒng)的塑料[26,27]。因此，不斷改進(jìn)工藝以降低生物塑料的成本是研究人員在未來要面對的重要任務(wù)。

其次，雖然生物塑料經(jīng)常被稱為“綠色塑料”，但生物塑料是否一定意味著更加綠色環(huán)保，往往并不是那么直觀，需要具體的分析。生物塑料雖然不再使用不可再生的化石燃料，但生物質(zhì)的生產(chǎn)和加工過程同樣需要消耗大量資源，產(chǎn)生大量的溫室氣體排放。如果生物塑料對生態(tài)環(huán)境的破壞更為嚴(yán)重，那么這樣的轉(zhuǎn)換是得不償失的。令人欣慰的是，在前面的很多例子中，用生物質(zhì)代替化石能源用以生產(chǎn)塑料確實(shí)會對環(huán)境帶來有益的影響。在今后的開發(fā)中，我們需要時刻關(guān)注整個生產(chǎn)過程對環(huán)境的影響，確保生物塑料的發(fā)展能夠?yàn)楸Ｗo(hù)環(huán)境做出貢獻(xiàn)。

說到生物塑料對于環(huán)境的影響，有兩個問題值得引起特別關(guān)注。

首先，目前較為成熟的生物塑料生產(chǎn)工藝多以淀粉、糖、食用油等農(nóng)產(chǎn)品為起始原料。與其他生物質(zhì)相比，這些原料更容易被轉(zhuǎn)化為其他化學(xué)物質(zhì)，但它們的生產(chǎn)過程不可避免地會與糧食生產(chǎn)沖突，從而引發(fā)公眾的擔(dān)憂。因此，生物塑料要想在未來獲得更多的支持，需要盡可能使用木質(zhì)纖維等無法被食用的生物質(zhì)，特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和食品工業(yè)中產(chǎn)生的副產(chǎn)品和廢料，從而更加充分地利用自然資源。

另外，許多人往往將生物塑料和生物可降解塑料劃上等號，這也是常見的誤解。生物塑料著眼于塑料的原材料，要求原料必須來自生物質(zhì)，而生物可降解塑料只是要求塑料能夠在較短時間內(nèi)分解為對環(huán)境友好的產(chǎn)物，對于塑料的原料并無限制。因此生物塑料未必都能降解，而生物可降解塑料也不一定同時是生物塑料。例如聚乳酸是典型的生物可降解塑料，其原料乳酸可以來自石油化工，也可以來自生物發(fā)酵，如果來自前者則不是生物塑料。相反，以生物質(zhì)為原料生產(chǎn)的聚乙烯符合生物塑料的定義，然而并不是生物可降解塑料。因此，即便在不久的將來生物塑料全面替代傳統(tǒng)的塑料，廢棄塑料的回收再利用仍然是消除白色污染不可或缺的重要環(huán)節(jié)。

以生物塑料取代傳統(tǒng)的合成塑料是一項復(fù)雜且艱巨的任務(wù)，需要來自方方面面的不懈努力和密切合作。為了在享受高科技帶來的便利生活的同時又能讓青山綠水永遠(yuǎn)留駐在身邊，讓我們從現(xiàn)在開始，貢獻(xiàn)出自己的一份力量吧。

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