如果石油用完了，我們拿什么造塑料？

撰文 | 魏昕宇（高分子科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)博士）

毫無(wú)疑問(wèn)，塑料以及其他形式的聚合物給我們的生活帶來(lái)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(lái)自石油、煤、天然氣等不可再生的化石能源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界石油開(kāi)采量的約6%被用于塑料生產(chǎn)[1]。隨著這些資源的儲(chǔ)量日漸減少，我們不得不思考一個(gè)問(wèn)題：假如有一天這些化石燃料都用完了，我們拿什么來(lái)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(chǔ)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(gè)新名字：生物塑料(bio-based plastics)。

生物塑料的概念聽(tīng)起來(lái)確實(shí)很美好，然而我們不免要問(wèn)幾個(gè)問(wèn)題：

首先，生物質(zhì)夠用嗎？這個(gè)不必?fù)?dān)心。既然生物質(zhì)資源如此豐富，為什么它們并沒(méi)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(lái)的生物質(zhì)就高達(dá)一千億噸，其中只有大約3.5%被人類(lèi)所利用[2]。作為對(duì)比，目前全世界的塑料產(chǎn)量不過(guò)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(lái)滿足人們的需求可以說(shuō)是綽綽有余。但問(wèn)題隨之而來(lái)：既然生物質(zhì)資源如此豐富，為什么它們并沒(méi)有成為生產(chǎn)塑料的主力呢？要回答這個(gè)問(wèn)題，我們需要簡(jiǎn)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(huì)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(chǔ)量最豐富的天然高分子。然而纖維素難以溶于常見(jiàn)的溶劑，高溫下也很難熔化，加工起來(lái)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(lái)自于橡膠樹(shù)的乳液，而橡膠樹(shù)只能生長(zhǎng)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(guó)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(zhēng)等原因?qū)е鹿?yīng)中斷，國(guó)計(jì)民生很可能會(huì)受到嚴(yán)重的影響。一個(gè)典型的例子是第二次世界大戰(zhàn)太平洋戰(zhàn)場(chǎng)爆發(fā)后，美國(guó)與橡膠主要產(chǎn)地東南亞的聯(lián)系被切斷，一時(shí)間大量的汽車(chē)和飛機(jī)沒(méi)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(shí)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(shuō)的單體，通過(guò)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(lái)。很快，人們開(kāi)始嘗試從通過(guò)這些單體來(lái)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(lái)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(tái)的主角位置。

然而隨著化石燃料儲(chǔ)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(kāi)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(lái)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(qǐng)認(rèn)準(zhǔn)它們

如果將世界范圍內(nèi)塑料的產(chǎn)量按照類(lèi)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(duì)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(lèi)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(shí)，總共有四只“手”可以用——可以通過(guò)化學(xué)鍵連接四個(gè)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(gè)原子，在合適的條件下還可以連接第四個(gè)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(jiàn)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(shuō)這是對(duì)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(lèi)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(duì)苯二甲酸乙二醇酯的合成則可以用通式AA+BB來(lái)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(duì)苯二甲酸乙二醇酯這個(gè)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(duì)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(gè)酸或醇的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)，才能得到聚合物，真可謂“一個(gè)巴掌拍不響”。除了聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，尼龍、聚氨酯、聚碳酸酯、環(huán)氧樹(shù)脂等等我們耳熟能詳?shù)乃芰弦彩峭ㄟ^(guò)AA + BB的途徑得到的。這一類(lèi)型的聚合反應(yīng)還有一種變通的形式，那就是分子中同時(shí)含有兩種化學(xué)結(jié)構(gòu)的AB型分子。例如乳酸中同時(shí)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(duì)苯二甲酸乙二醇酯的合成（圖片來(lái)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(lái)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(lèi)以及淀粉、纖維素等高分子化合物（多糖），是非常重要的一類(lèi)生物質(zhì)，也備受生物塑料開(kāi)發(fā)者的重視。通過(guò)生物發(fā)酵或者化學(xué)過(guò)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(lèi)通過(guò)發(fā)酵變成乙醇是我們非常熟悉的過(guò)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(wàn)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(lái)更是被用來(lái)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(duì)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(duì)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(lái)，但要想從生物質(zhì)中得到聚對(duì)苯二甲酸則比較困難[8]。

后來(lái)有研究人員發(fā)現(xiàn)，用2,5-呋喃二甲酸代替對(duì)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(jiǎn)稱(chēng)PEF）的性質(zhì)與聚對(duì)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(duì)氣體的阻隔能力是聚對(duì)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(duì)苯二甲酸乙二醇酯還能顯著降低生產(chǎn)過(guò)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(lái)的能源相當(dāng)于荷蘭全國(guó)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(lái)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(lèi)而原料，從而盡量減輕對(duì)糧食生產(chǎn)的影響，但纖維素轉(zhuǎn)化起來(lái)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(dòng)的寶庫(kù)

另一類(lèi)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(dòng)物油都是脂肪酸的甘油酯，但常溫下動(dòng)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(gè)或者多個(gè)碳碳雙鍵。相反，構(gòu)成動(dòng)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(huì)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(lèi)，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(huì)發(fā)生酸敗，即俗稱(chēng)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(zhǎng)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(chǔ)存過(guò)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(zhǎng)期存儲(chǔ)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(gè)連接起來(lái)變成聚合物，這樣的油就是通常所說(shuō)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(guò)一段時(shí)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(gè)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(guò)碳碳雙鍵把植物油變成更多有用的原料，其中一個(gè)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(gè)碳碳雙鍵，距離雙鍵不遠(yuǎn)處還有一個(gè)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(gè)羧酸結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在含有了兩個(gè)羧酸，也就是說(shuō)，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(gè)典型的AB型分子，通過(guò)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(chǎng)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(gè)例子很好地說(shuō)明相比于化石能源，生物質(zhì)在某些時(shí)候會(huì)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于蓖麻油的價(jià)格較其他植物油更高，因此近些年來(lái)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(gè)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(shí)還會(huì)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(duì)應(yīng)的脂肪酸甲酯，同樣會(huì)產(chǎn)生大量的甘油。這些甘油如何利用起來(lái)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(shù)脂這種重要的塑料的原料之一。環(huán)氧氯丙烷本來(lái)是通過(guò)石油裂解產(chǎn)生的丙烯來(lái)合成的，通過(guò)這樣的改變，環(huán)氧樹(shù)脂也可以部分地改以生物質(zhì)為原料了。有趣的是，本來(lái)環(huán)氧氯丙烷被用來(lái)合成甘油，隨著對(duì)生物質(zhì)利用的不斷深入，這一過(guò)程現(xiàn)在完全轉(zhuǎn)換了方向。

除了植物油，另一類(lèi)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(chēng)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(lèi)）。這也是一類(lèi)分子中含有碳碳雙鍵的化合物，其中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的萜烯是異戊二烯。這個(gè)名字聽(tīng)起來(lái)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(guò)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)化合物——檸烯。我們?cè)诔越圩訒r(shí)，通常總是把桔子皮扔掉。但如果把桔子皮集中起來(lái)，每年大約能提取出52萬(wàn)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(chǎng)上打拼出屬于自己的地盤(pán)。

木質(zhì)素：待開(kāi)墾的荒原

除了碳水化合物和油脂，還有一種儲(chǔ)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(guò)共價(jià)鍵連接，像膠水一樣把植物細(xì)胞粘合起來(lái)，在增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)還能夠讓植物細(xì)胞更好地保有水分。毫不夸張地說(shuō)，沒(méi)有木質(zhì)素，就沒(méi)有今天廣布地球各地的樹(shù)木和森林。在木材中，木質(zhì)素可以占到總重的20-30%，是儲(chǔ)量?jī)H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(lái)源是造紙工業(yè)。這是因?yàn)榱舸嬖诩垙堉械哪举|(zhì)素會(huì)隨著時(shí)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(huì)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(huì)被直接燒掉，用來(lái)給造紙過(guò)程提供能源，這對(duì)于一種天然高分子化合物來(lái)說(shuō)未免有點(diǎn)大材小用。因此，近年來(lái)，各國(guó)的研究人員都在探索如何從木質(zhì)素中發(fā)掘更大的價(jià)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(jiàn)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(duì)苯二甲酸每個(gè)分子中都含有一個(gè)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(kāi)發(fā)這一類(lèi)材料時(shí)，使用的是沒(méi)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(huì)變軟，因此實(shí)際應(yīng)用大大受限。后來(lái)研究人員改用對(duì)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(gè)原因，改用完全的生物質(zhì)來(lái)生產(chǎn)聚苯二甲酸乙二醇酯或者類(lèi)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(duì)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(guò)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(guò)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(duì)苯二甲酸乙二醇酯頗為類(lèi)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(lái)自于大氣中的二氧化碳。因此，當(dāng)我們?cè)趯ふ移渌嫌糜谔娲蜕a(chǎn)塑料時(shí)，不要忘記二氧化碳也是值得考慮的對(duì)象。由于二氧化碳直接來(lái)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(guò)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(duì)緩解氣候變暖做出更大的貢獻(xiàn)。

二氧化碳雖然看起來(lái)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(huì)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(duì)較低的聚合物則可以通過(guò)進(jìn)一步的反應(yīng)得到另一類(lèi)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(duì)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(lái)自二氧化碳，雖然總的生產(chǎn)過(guò)程仍然會(huì)造成溫室氣體排放，并不能起到從儲(chǔ)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(gè)成績(jī)，希望將環(huán)氧化合物也用來(lái)自生物質(zhì)的原料代替，經(jīng)過(guò)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(lài)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(guò)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(lèi)水果加工和消費(fèi)過(guò)程中的副產(chǎn)物。如果這種新材料能夠取代聚碳酸酯物，無(wú)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(lái)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(lái)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(lái)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(huì)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(guò)發(fā)酵木質(zhì)纖維素來(lái)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(gè)羧酸結(jié)構(gòu)，以前無(wú)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(wú)異于為這一重要塑料單體的生產(chǎn)開(kāi)辟了一條新的“康莊大道”。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，這些基于二氧化碳的聚合物將會(huì)有更加光明的前景。

來(lái)自細(xì)菌的塑料

還有一類(lèi)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(lèi)材料有一個(gè)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(guò)剩，而氧、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素的供應(yīng)相對(duì)緊張時(shí)，這些細(xì)菌會(huì)合成這一類(lèi)聚合物累積在細(xì)胞間質(zhì)中，作為儲(chǔ)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(lái)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(lèi)具有相似結(jié)構(gòu)的聚合物的統(tǒng)稱(chēng)，它們的性質(zhì)會(huì)隨著結(jié)構(gòu)的不同而發(fā)生很大變化。因此，通過(guò)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(wèn)題。但聚乳酸的生產(chǎn)需要先將糖類(lèi)發(fā)酵變成乳酸，再將其聚合，需要多個(gè)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(wú)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(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)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(lèi)材料要想在競(jìng)爭(zhēng)激烈的塑料市場(chǎng)上站穩(wěn)腳跟，研究人員還有許多功課要做，例如通過(guò)基因工程技術(shù)來(lái)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(guò)上面的分析我們不難發(fā)現(xiàn)，從技術(shù)的角度來(lái)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(duì)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(wèn)題的一方面，要想讓生物塑料在市場(chǎng)上能夠獲得成功，我們還必須考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：

首先，與傳統(tǒng)塑料相比，生物塑料在性價(jià)比上能否占有優(yōu)勢(shì)？這是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)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(shí)候，仍然會(huì)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(lái)要面對(duì)的重要任務(wù)。

其次，雖然生物塑料經(jīng)常被稱(chēng)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(guò)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(duì)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(huì)對(duì)環(huán)境帶來(lái)有益的影響。在今后的開(kāi)發(fā)中，我們需要時(shí)刻關(guān)注整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)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(shuō)到生物塑料對(duì)于環(huán)境的影響，有兩個(gè)問(wèn)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(guò)程不可避免地會(huì)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(lái)獲得更多的支持，需要盡可能使用木質(zhì)纖維等無(wú)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(hào)，這也是常見(jiàn)的誤解。生物塑料著眼于塑料的原材料，要求原料必須來(lái)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(shí)間內(nèi)分解為對(duì)環(huán)境友好的產(chǎn)物，對(duì)于塑料的原料并無(wú)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(shí)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(lái)自石油化工，也可以來(lái)自生物發(fā)酵，如果來(lái)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(lái)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(xiàng)復(fù)雜且艱巨的任務(wù)，需要來(lái)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(lái)的便利生活的同時(shí)又能讓青山綠水永遠(yuǎn)留駐在身邊，讓我們從現(xiàn)在開(kāi)始，貢獻(xiàn)出自己的一份力量吧。

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