面对塑料垃圾污染这样一个全球性的环境问题，人们希望通过生物降解塑料来解决这个问题。

本文测试了一些市面上生物降解塑料常用的原料和混合物在管理（工业堆肥、厌氧消化、家庭堆肥）和非管理（海洋、淡水、水生厌氧消化、土壤）中的生物降解性能。

生物基和生物降解塑料的机械性能

为解决单个塑料性能的缺点(即：PLA硬而脆，PHO柔韧而软)，将单个聚合物与增塑剂和添加剂混合。通过在相对较低的负载(<20% w/w)下向PLA中添加PCL或PHO，新创建的材料变得更灵活(图1)。有些聚合物混合之后表现出兼容性，出现多个Tg 峰值，而且力学性能明显改善。

图1：生物基和生物可降解塑料(紫色圆圈)和化石基生物可降解聚己内酯(绿色正方形)及其共混物(蓝色三角形)的机械性能。通过将这些可生物降解聚合物(紫色圆圈)相互混合，它们进入了新的设计空间(蓝色三角形)，从而为塑料等应用领域开辟了新的机遇。

DSC分析表明，PCL和PHB不相容，导致共混物的力学性能比纯聚合物差(表3)。尽管一些聚合物共混物的力学性能下降，但将它们共混是为了模拟在管理和非管理环境中，这些共混物的的生物降解性。

表3：用差示扫描色谱法(DSC)测定了共混物的相容性。

生物塑料在管理环境中的生物降解

家庭堆肥

我们发现，单独的PLA一般不能家庭堆肥，因为PLA的生物降解通常是在50℃以上触发的，27℃是家庭堆肥无法达到的温度。

80% PLA的PLA - PCL共混物在259天内达到标准物质(纤维素)的生物降解水平(图2)。

我们还发现，PLA与另一种家用可堆肥聚合物PHB以80:20的比例混合时，未能达到家用可堆肥的标准(图2)。

低含量(重量<20%)的非家用可堆肥聚合物(如PHO)与家用可堆肥聚合物PHB或PCL的混合，减缓了混合物的生物降解，但仍然允许聚合物混合物达到家用可堆肥标准(图2)。

两种非家用可堆肥聚合物(如PLA - PBS和PLA - PHO)的混合没有产生达到家用可堆肥性标准的塑料混合物(图2)。

图2：单个聚合物及其塑料混合物在多种管理环境中的生物降解：家庭堆肥(ISO 14855, 28℃)；厌氧消化(ISO 15985, 52℃)；工业堆肥(ISO 14855, 58℃)。绿色虚线：生物降解率（纤维素生物降解率的百分比）红色虚线：测试条件下考虑可生物降解的材料的截止点

厌氧消化 

厌氧消化也被称为生物气化，是一种可再生生物质能源生产的生物技术方法。值得注意的是，虽然大多数生物可降解塑料可以通过厌氧消化降解，但它们的降解时间是工业厌氧消化工厂保留时间的三到六倍(图2B)。

由各种可降解塑料厌氧消化产生的沼气中，48%到63%的沼气产出的是甲烷，剩下的是CO2（图3）。

总碳含量较高的生物可降解塑料产生更多的甲烷(图4)。PHB−PCL(60/40)混合生物甲烷潜力最高561 NL /KG(BMP)，其次是PCL−TPS (70/30) 是546 NL /KG(图3)。

在这两种情况下，塑料共混物比单独的聚合物有更高的BMP，这表明共混物的代谢有利于甲烷的产生，并证明了共混这些聚合物的协同效应。

在厌氧消化期间，PCL - TPS(70/30)和PHB - PCL(60/40)共混物产生的甲烷比单个聚合物的性能预期高出37%和18%(图3)。PCL - TPS(70/30)的厌氧消化产生了预期的CO2的含量，而PHB - PCL(60/40)混合的CO2含量要低15%。

协同作用的另一个例子是将厌氧消化中不可降解的PBS与PHB混合。这种混合物从单个聚合物中产生的沼气比预期的多1.4倍，以及甲烷和CO2分数比预期高出37%和38%。聚合物混合物PHB−PHO(85/15)根据单个聚合物的组成产生了预期的沼气产量。

图3：在高固体高温条件下厌氧消化(ISO 15985)。蓝色为BMP，粉红色为co2的产生。生物三倍体间标准偏差<5%。

工业堆肥 

在工业堆肥条件下，所有测试塑料均达到生物降解标准，至少90%的标准材料在180天内生物降解(ISO 14855；图4 A−C)。

测试材料根据降解速率可分为三组。PCL、PHB−PCL(60/40)、PHB和PCL- tps(70/30)降解速度较快，在40天内完全降解(图4A)。

PHB−PHO(85/15)、PBS- TPS(60/40)和PHB−PBS(50/50)呈现出有趣的降解过程，降解速率开始较快，在前5天降解率高达52%，随后降解速率逐渐下降(图4B)。

由PLA、PHO和PBS组成的其他单个聚合物和塑料共混物在生物降解测试的前20天表现出了第三种行为，在更高的生物降解速率开始之前有一个滞后阶段(图4C)。

在工业堆肥条件下，家用可堆肥PLA−PCL塑料在60天内完全降解，而仅PLA在70天后生物降解率达到90%(图4C)。虽然目前研究中所有含有PLA的混合物都符合工业堆肥条件下可生物降解的标准，但PLA - PHO(85/15)混合物的降解速度最慢，在120天后达到了生物降解阈值(图4C)。事实上，在65天后，89.3%的PHO单独降解，这表明在工业堆肥条件下，这两种聚合物对生物降解具有拮抗作用。

图4：工业堆肥中可生物降解塑料的相对生物降解。纤维素作为标准材料(ISO 14855, 58℃)。45天后，如果该标准品的生物降解率超过70%，并且在测试结束时，该标准品的生物降解率的标准差小于20%，则认为该测试有效。(A)快速降解材料。TPS在22天内完全降解，而纤维素在40天内完全降解。(B)显示双峰降解的材料。(c)缓慢降解的材料。绿色虚线：纤维素的降解程度，在本次试验中纤维素被完全降解。红色虚线：生物降解试验90%相对生物降解的截断值。除PLA - PHB(80/20)的标准差(SD)为10%外，生物三副本的标准差(SD)均<5%。

生物降解塑料在非管理环境中的生物降解

PHB和TPS在所有测试的水生条件下都可以完全降解：海洋中上层(30°C)、淡水好氧环境(21°C)和水生厌氧(35°C)(图5A−C)。

在56天的测试时间框架内，只有6%的PHO在厌氧水生条件下降解，在淡水中降解率高达51%(图5B和C)。

PHB−PHO(85/15)共混物在前10天的降解速度比PHB单独使用时慢，但56天后，共混物的生物降解程度与PHB在海洋条件下相同(图5)。

PCL在陆地环境中表现出良好的生物降解性(图2 - 4)，在海洋环境中表现出良好的生物降解性，但在淡水和水生厌氧消化中，PCL在56天内的生物降解率达到50%或更低(图5A - C)。

在海洋环境试验中，PCL与PHB共混对生物降解性能没有影响。然而，在淡水和厌氧水生条件下的生物降解表明PCL与PHB混合对生物降解具有拮抗作用(图5A−C)。

PCL与TPS共混对海洋和淡水环境的生物降解具有拮抗作用(图5A,B)。在厌氧水生消化试验中，只有2.1%的PCL降解(图5C)。由于PCL使70%的PCL−TPS混合，这种材料在厌氧水生消化测试中降解很差。

PLA - PHB的生物降解率低于15%(85/15)，而在水环境中，单独使用PLA或其他PLA基塑料均未发现生物降解(图5A - C)。因此，在56天的测试中，聚乳酸及其共混物与在水环境中进行生物降解的不可降解塑料没有明显区别。

PHB−PHO(85/15)、PHB−PCL(60/40)、PCL−TPS(70/30)和PCL−PHO(85/15)是唯一在土壤测试环境中达到生物降解标准的混合物(在长达2年的相对生物降解率为90%；图5 d)。

PHB、TPS和PCL是土壤测试条件下唯一可生物降解的单个聚合物，在136天后显示完全生物降解(图5D)。

聚乳酸及其共混物在土壤中均未表现出明显的生物降解性141天后(图5D)。

图5：单个聚合物和塑料混合物在非管理环境中的生物降解：(A)海洋远洋(ASTM D6691, 30℃)；淡水好氧生物降解(ISO 14851, 21℃)；(C)水生厌氧消化(ISO 11734, 35℃)；(D)土壤(ISO 17556)。绿色虚线：生物降解率（纤维素生物降解率的百分比）红色虚线：在测试条件下考虑可生物降解的材料的截止点

结论

在这七个测试环境中，只有TPS和PHB是满足国际标准提出的生物降解标准的，而PBS和PHO达到标准标准只在工业堆肥(图7)。

PLA是世界上最畅销的生物可降解塑料之一，但它不能用于家庭堆肥。我们在此表明，PLA与PCL混合后能够家庭堆肥。我们还证明，大多数被测试的生物塑料及其混合物通过高沼气产量的高温厌氧消化降解，但降解时间是商业工厂保留时间的3-6倍。

虽然一些聚合物及其混合物在土壤和水中表现出良好的生物降解性，但本研究中测试的大多数聚合物及其混合物未能达到ISO和ASTM生物降解标准，一些聚合物未能表现出任何生物降解。因此，生物可降解塑料混合物需要谨慎的消费后管理，并且需要进一步设计允许在多种环境中更快速的生物降解，因为它们释放到环境中会造成塑料污染。

图7：根据国际生物降解标准，测试生物塑料在管理和管理环境中的生物降解能力

如果社会要用生物可降解塑料来取代不可降解塑料，我们需要确保我们了解这些塑料的生物可降解性，特别是它们的混合塑料，因为后者是生物可降解塑料最有可能进入市场的形式。