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根据经合组织成员国统计，化学工业占石油天然气消耗的12%，主要用途是生产高分子材料。2010年，中国用于生产塑料的高分子材料高达5830万吨，约消耗1.65亿吨石油资源，其中50%~60%的高分子材料在使用后无法回收利用，且难以分解，导致固体垃圾中塑料含量达到10%，造成严重的环境污染。利用可再生的生物质资源制取高分子材料，既是解决能源替代的重要途径，也是改善生态环境的有效手段。美国能源部预测，到2020年，来自植物生物质资源的高分子新材料将增加到10%，到2050年将达到50%。

1. 生物质高分子材料的应用

淀粉、纤维素、木质素等天然高分子链间存在氢键，分子间作用力较强，溶解性差，高温下分解而不熔融，用作塑料时存在物性不佳、加工性能差等缺点，因此必须进行改性。研发重点集中在以下几个方面：一是通过物理增塑或化学改性（酯化、醚化、交联、共聚）改善生物质材料的热塑性，提高成型加工性能；二是通过共混提高生物质作为基体材料的性质（增强、增溶、增韧）；三是通过微纤技术制备生物质微纳尺寸的材料，改善复合材料界面结合能力，提高力学性能和热性能。目前，部分生物质高分子材料已实现工业化生产，涉及塑料、橡胶和纤维等大宗材料。

1.1 可降解塑料

生物质可降解塑料按降解机制可分为填充性降解塑料和完全降解塑料。填充性降解塑料源于英国L.Griffin的淀粉塑料专利技术。目前国外已开发出多种以淀粉为代表的填充型降解材料，虽然技术成熟、工艺简单，但淀粉含量仅7%~30%，淀粉降解后塑料组分成为碎片，造成二次污染。完全降解塑料产物安全无毒，是发展方向。美国Warner-Lambert公司开发了含支链淀粉（70%）和直链淀粉（30%）的新型树脂，具有良好的生物降解性。德国Biotec公司研发了以淀粉和聚己内酯为主要原料的全生物降解塑料Bioplast，淀粉含量在55%~75%之间。意大利Ferruzzi公司、美国国际庄明公司和日本住友商事公司等已宣布研制成功全淀粉塑料，淀粉含量在90%以上，助剂也可降解，可实现100%降解。日本四国工业实验室将纤维素衍生物和脱乙酰基多糖共混流延成膜，强度接近聚乙烯膜，2个月后完全降解。纤维素与蛋白质共混膜的性能符合优质生物基塑料指标。然而，全降解材料价格是普通塑料的2~4倍，且纤维素类共混材料为非热塑性材料，生产效率较低。中国武汉华丽环保科技有限公司实现了淀粉三改性（亲水性改疏水性、热敏性改耐温性、硬脆性改可塑性），开发出PSM材料。浙江华发生态科技有限公司将薯类淀粉改性后与PLA、PHBV、PCL等共混，制得生物质降解材料。此外，江西科学院、天津大学、长春应用化学研究所、华南理工大学等单位也进行了相关研究。

1.2 橡胶

淀粉和木质素具有刚性网络结构并含众多活性基团，可通过羟基与橡胶中共轭双键作用，或发生接枝、交联反应，用于橡胶的增强和改性。木质素填充橡胶与炭黑填充橡胶相比，可实现更高填充量，且比重小、光泽度好、耐磨性和耐屈挠性增强、耐溶剂性提高。实际应用中需解决生物质与橡胶的相容性问题，通过化学修饰可改善分散性，并形成多重网络结构。2002年，美国固特异轮胎橡胶公司开发了玉米淀粉改性轮胎橡胶技术，使用酚醛碱性溶液处理改性玉米淀粉微粒替代炭黑混入丁腈橡胶，具有补强效果，同时降低滚动阻力、噪音、CO2排放量和生产能耗。Novamont公司也将淀粉产品Mater-Bi用于生产汽车轮胎。国内外研究集中在三个方向：生物质与其他材料和橡胶的多元复合物制备；通过物理处理或化学改性降低颗粒尺寸，提高界面作用；利用橡胶乳胶态，采用乳液聚合实现改性。

1.3 纤维

纤维素的高强度和柔韧性使其在纤维应用方面具有优势。通过羟基衍生化获取可加工纤维素产品，如纤维素乙酸酯、乙基纤维素、纤维素乙酰丁酸酯等，但熔融温度高且接近分解温度，需使用大量增塑剂，而增塑剂易迁移析出，降低使用性能。研究重点转向内塑化，即通过接枝或化学修饰将长链柔性基团引入纤维素侧链，避免增塑剂迁移。纤维素接枝改性包括乙烯单体接枝、环状单体接枝、脂肪醇接枝、硅接枝等。环状单体接枝可实现本体熔融聚合，避免溶剂回收，已引起更多关注。Natoco公司使用己内酯接枝部分取代的纤维素醋酸酯或纤维素醋酸丁酸酯，再进行甲硅烷基化改性，得到耐候性材料。Rhodia公司开发了可用于熔融纺丝的纤维素改性材料，熔点可降至180℃。东丽公司研制了由55%~70%纤维素醋酸酯和30%~45%可生物降解聚酯多元醇组成的纤维素醋酸纤维，在土壤中具有良好的生物可降解性。新型纤维素溶解体系是推进纤维素纤维发展的关键。传统NaOH/CS2和铜氨溶液因污染逐渐淘汰。氨氧化合物如N-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）可溶解纤维素，生产的天丝性能优良。离子液体如1-丁基-3-甲基咪唑氯代和1-烯丙基-3-甲基咪唑氯代因溶剂性能好、热稳定性高、易回收而成为重点。最近开发的NaOH/尿素体系可在低温下溶解纤维素（重均分子量低于1.2×10^5），通过氢键或静电力驱动形成包合物，为低温纺丝提供了契机。利用这些新溶剂体系已成功在中试设备上得到性能优良的新型再生纤维素丝。淀粉纤维发展远不及纤维素纤维。日本有报道将淀粉溶于DMSO，与丙烯腈接枝共聚，所得纤维强度达1.59cN/dtex，手感柔软，有望成为服装用纤维。此外，淀粉可生物转化为聚乳酸纤维，钟纺公司利用该技术将玉米淀粉制成纤维，拉伸强度可与聚酯纤维媲美。

2. 存在的问题

（1）生产成本高于产品定位。目前商品化生物质可降解材料多用于包装袋、餐饮盒等低端产品，生产成本是普通塑料的1到3倍。例如，聚苯乙烯餐盒成本0.08~0.1元，而全生物降解淀粉基餐盒成本0.18~0.3元。（2）技术与工艺尚不成熟。中国在生物基原材料合成方面领先，但应用加工技术落后于美国、欧洲和日本。降解材料的时控性、快速降解性、彻底降解性及边角料回收技术需改进。（3）使用性能不高。商品化生物质材料综合性能不足，如生物降解餐饮具在耐热、耐水及机械强度方面与传统塑料制品差距较大，限制了应用范围。

3. 生物质高分子材料的发展趋势

（1）高品质原材料获取技术。目前改性技术多以破坏大分子链段、降低聚合度为目的，导致天然性能丧失。例如，淀粉塑化多用直链淀粉，支链淀粉需断链；纤维素共混多用短链或微晶纤维素；木质素增强橡胶需降低分子量。开发生物质高品质原料获取技术是实现性能优良且价格低廉的生物基高分子材料产业化的途径。细菌纤维素比植物纤维素具有更高分子量、结晶度和独特纳米结构，有望在造纸、仿生、电子及生物医药等领域应用。（2）完全生物降解塑料的研发。从生态环境保护角度，开发合成工艺简单、加工技术成熟、成本低廉的完全生物降解塑料迫在眉睫。医用缝针、缝线、针筒、输液袋，个人护理用品，工农业包装盒、垃圾袋、堆肥袋、农药瓶等一次性塑料制品应使用完全生物降解材料。全淀粉塑料被认为最具经济性。德国Battelle研究所开发了基于高直链青豌豆淀粉的可降解塑料，在潮湿环境中可完全降解。（3）降解速率可控的生物质塑料研发。不同领域对降解速率要求不同，如生物医学要求快速降解，包装材料要求一定使用时间。可控降解塑料需在使用周期内保持稳定性能，使用后迅速分解。目前研究集中于提高降解速率，但有效控制使用时间仍处于探索阶段。通过分子设计和精细合成改进配方，可保证使用性能并控制周期。农用薄膜是典型应用，理想农膜在覆盖保温时稳定有效，结束后立即分解。（4）可降解生物质复合材料的开发。单一生物质高分子材料无法满足实际应用，需利用高分子改性及复合技术。木塑复合材料是废弃林产品和农业剩余物与废弃塑料复合而成的新型生物质材料。可降解生物质复合材料的开发基于两点：一是利用物性互补合成新聚合物，如淀粉与聚烯烃、聚酯共聚；二是通过控制聚合物相态和分散态改变物性和降解性，如将非生物降解塑料分散于生物质中制得共混物。例如，丙烯酸接枝PLA和淀粉混融中，淀粉为连续相，丙烯酸接枝PLA为分散相，复合物相容性好，拉伸强度和断裂伸长率显著提升。（5）开发特定的加工成型技术。改性生物质材料大多可采用挤出、注塑成型，但工艺复杂且加工过程有降解。开发特色加工技术可降低成本并改进性能。剪切控制定位注塑技术制备的淀粉/乙二醇膜具有良好机械性能和生物降解性。光散射技术可调整剪切强度和剪切率，改善相融性。真空热处理过的聚乳酸-淀粉/纤维素复合材料具有更高机械性能和降解性质。应用酶工程等生物技术开发环保型绿色纤维素材料，将使生物材料的绿色加工利用成为可能。