传统塑料的替代材料 – 你需要知道的一些事情

背景

2019年六月欧盟发出了指令2019/904，目的是要规管欧盟境内一系列一次性塑料产品的使用1。该指令订下了对不同用途的一次性塑料用品所实施的各项规管措施，其中有食品包装、一次性餐具、气球、湿纸巾等等均有涵盖。

欧盟的立法目的明显是为了解决大量塑料被弃置的问题。事实上不同国家或地区亦有类似的禁令，如南澳洲和法国在2021年起便禁止销售一次性吸管、餐具和搅拌棒2；而中国大陆亦在2021年起禁止生产和销售一次性发泡塑胶餐具3。

面对越来越多的 “禁塑令”，市场上开始充满了五花百门的替代品。这些替代品有的标榜材料源自天然，有的标榜可被生物降解，究竟这些标榜的背后代表着什么？而所谓的环保塑料究竟又是否真正环保呢?

在这篇文章里讨论重点：

1. 何谓塑料制品

2. 塑料制品的替代品

i. 生物塑料作为塑料替代品

ii. 天然材料作为塑料替代品

3. 一次性塑料制品在香港的立法情况

4. 天然材料的检测

1. 何谓塑料制品

按照欧盟指令2019/904的定义，塑料是除来自天然以外的聚合物，而该些聚合物能为最终产品提供主要的结构部分1, 4。此外按照该定义，即使聚合物是来自天然的成分，但若果其分子结构是经过化学转化的，亦不会被视为来自天然。

2. 塑料制品的替代品

i. 生物塑料作为塑料替代品

现今市场上开始流行一类标榜为生物塑料(Bioplastics)的材料，宣称是较环保的选择。生物塑料所指的材料其实有两个意思5 ： 

1) 它的原料来自可再生的资源(农产品如玉米，甘蔗6等)，而非不可再生的资源(如石油，煤碳等化石燃料)或

2) 该材料本身可被生物降解(biodegradable)

图1  生物塑料及传统塑料示意图6

对于不可被生物降解的生物塑料，即使其原材料是来自可再生资源，当其被弃置后对环境的影响其实跟传统的塑料没有区别。

可被生物降解的塑料就是该塑料能透过物理或生物作用而最终分解成二氧化碳、水及生物质(biomass，例如增生的细菌)1。但即使塑料本身是可被生物降解的材料，亦未必可以短时间内在自然环境中被降解5。这些塑料在自然界中的降解速度跟土壤、湿度、是否接触到空气等因素有关7,8。

图2  降解中的塑料瓶

如果可被生物可降解塑胶能在较接近自然状态下在较短时间内能被完全降解，这类塑料便称为可堆肥塑料(compostable plastic)。不同于其他生物可降解塑胶，被称为可堆肥塑料是必需符合一定规格的，例如美国环境保护署就规定若塑料被标注为可堆肥塑料，则必需能够在合理时间(约六个月)内完全分解而不留下影响植物生长的材料9。除此之外，国际间亦有针对可堆肥塑料的标准，如美国的ASTM D 6400，欧洲的EN 13432等。

此外，市场上亦有一类名为可氧化降解(oxo-degradable)的塑料。这些塑料其实是在一般塑料中加入了添加剂，而这些添加剂会在环境中氧化时令胶件解体，以致胶件看似是给降解了。但其实这种塑料在解体时会释放出金属盐及微塑胶粒10, 11, 12，且这些微塑料亦会进入食物链或积聚在土壤，最后影响到自然生态13。这类可氧化降解塑料其实只能做到物理上的解体而并不能做到真正的降解(即是最终被分解成二氧化碳及水)，所以并不能被视为环保材料。而事实上之前提到的欧盟指令2019/904亦已禁止使用可氧化可降解塑料作为一次性用品的材料。

图3  可降解塑料，可堆肥塑料及可氧化可降解塑料示意图

ii. 天然材料作为塑料替代品

在不同国家，业界或许可以选择以可降解塑胶代替传统塑料制一次性用品；但若将来真的全面禁止塑料制一次性用品，业界亦可以用天然材料取代。事实上以天然材料(如木浆、草浆、蔗渣)制作的一次性餐具亦已在市场上出现多时，而且亦渐渐地被广泛使用。在众多天然材料中，纤维素及淀粉是在市场上较为常见的选择。

纤维素的来源广泛，其中一个来源是从收割农产品后的副产品中获得，如麦麸、穀糠或稻草等14, 15。这些材料在经过处理后便可以在模具内以高温(约120°C)及高压(约10 MPa)挤压成形16，制成各式各样的一次性餐具。

图4 以纤维素制作的一次性餐具

至于淀粉，因为其物理强度及抗高温能力较弱，且有较高的吸水性17, 18, 19，所以在制作餐具时会加入其他物料(如甘油、山梨糖醇或尿素等20, 21)以作改善。这样制作出来的材料我们会称之为淀粉塑料(Thermoplastic starch, TPS)。

图5 以淀粉塑料制作的一次性餐具

另外，为了令天然材料更适用于制作一次性餐具，有时会在天然材料内加入其他塑料。例如淀粉塑料会添加其他可降解塑胶22, 23(如聚己内酯 (PCL), 聚丁二酸/己二酸-丁二醇酯 (PBSA), 聚羟基丁酸酯(PHB), 及聚乳酸(PLA)等)来进一步增加其防水性能及物理强度。

3. 一次性塑料制品在香港的立法情況

在香港，我们暂时并没有类似欧盟针对一次性塑料的立法，但并不代表香港没有这方面的立法需要。而事实上香港的塑料弃置问题亦相当严重。根据立法会2020 - 2021年度的一份资讯述要24，塑料废物占都市固体废物弃置量第三位，仅次于厨馀及废纸。而其中就有近10%的塑料废物为塑料餐具（2019年资料），导致每周弃置于堆填区的塑料餐具多达约1,400公吨，相等于90辆双层巴士的重量。而由于疫情关系，市民对外卖需求增加亦令弃置的餐具持续飙升。

因应这个情况，香港环境保护署在今年七月到九月期间进行了有关针对一次性餐具规管的公众咨询25。根据咨询文件，港府建议对诸如吸管、餐具、饮品搅拌棒及发泡胶容器等塑料一次性餐具进行规管，而建议亦提到相关的限制将会分二阶段进行24，详情见下图：

表1 香港管制一次性塑料餐具的拟议时间表24

参照咨询文件的附录三，香港环境保护署的建议是把所有含有塑胶的材料也纳入规管范围。这些受规管的塑料除了传统的塑料外还包括可氧化可降解塑胶、可被生物可降解塑胶及塑胶复合材料(以不同原料混合塑料制成)25。

这样看来，将来香港对一次性餐具的规管将会朝 ”零塑料” 的方向进行(除了一些如医疗需要的豁免外)。即使餐具是以天然材料制成，只要里面含有塑料成分(例如在淀粉塑料中混合了聚乳酸的物料，等如下表的塑胶复合材料)亦将会受到规管。

表2 环境保护署管制即弃胶餐具咨询文件附录三25

要知道天然材料内是否含有塑料，可以透过测试得知。虽然现在还没有特别针对天然材料内塑料含量的标准测试方法，但一些传统的方法亦可以估计天然材料内是否含有常见的塑料。例如傅里叶转换红外线光谱仪(Fourier-transform infrared spectroscopy，简称FTIR)，便可以快速地测试天然材料内有否含有一定分量的塑料。

图6  傅里叶转换红外线光谱仪(左)及聚乳酸胶料红外线光谱(右)

另外，以光学显微镜观察样品，亦可以找到材料内是否含有塑料的迹象26。随着样品的不同的性质，我们还可以尝试以不同的方法检测材料内塑料的含量。如果厂家想知道他们一次性餐具是否含有有塑料，欢迎您联络我们商讨。

1. EU Directive 2019/904 OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL on the reduction of the impact of certain plastic products on the environment

2. Single-use and Other Plastic Products (Waste Avoidance) Act 2020 https://perma.cc/QU4J-SM9S

3.  国家发展改革委生态环境部关于进一步加强塑胶污染治理的意见，法改环资〔2020〕80號 https://perma.cc/A56P-KWPW

4.  REGULATION (EC) No 1907/2006 REACH Directive

5.  Martien van den Oever, Karin Molenveld, Maarten van der Zee, Harriëtte Bos (2017), “Bio-based and biodegradable plastics - Facts and Figures”, Wageningen Food & Biobased Research, p. 5

6.  Endres, H.-J. and A. Siebert-Raths (2011), Engineering biopolymers : markets, manufacturing, properties and applications, Hanser Publications, Cincinnati, 674 pp.　

7.  Van der Zee, 1997. Structure-Biodegradability relationships of polymeric material (PhD Thesis), University of Twente, Enschede, NL, ISBN 90-365-09580

8.  OWS, 2013. Degradation in other environments, http://www.ows.be/tests/degradation-in-other-environments/

9.   Frequently Asked Questions about Plastic Recycling and Composting, US Environmental Protection Agency, https://www.epa.gov/trash-free-waters/frequently-asked-questions-about-plastic-recycling-and-composting

10.  Shah A. A., Abdul F. H., & Ahmed H. S., “Biological degradation of plastics: A comprehensive review”, Biotechnology Advances 2008:26(3):246–265. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2007.12.005

11.  Siracusa V., Rocculi P., Romani S., & Rosa M. D., “Biodegradable polymers for food packaging: a review”, Trends in Food Science & Technology 2008:19:634–643. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2008.07.003

12.  Vaverkova M., Adamcová D., & Zloch J., “How do degradable/biodegradable plastic materials decompose in home composting environment?”, Journal of Ecological Engineering 2014:15(4):82–89. https://doi.org/10.12911/22998993.1125461

13.  “Policies for Bioplastics in the Context of a Bioeconomy”, OECD Science, Technology and Industry Policy Papers No. 10 (2013), p.13, 14

14.   Alun N., Sun Z. H., Jing Q. R., Hu D. R., & Yang C. L., “Study of microstructure and dynamic mechanical analysis of biodegradable tableware produced with corn straw”, Advanced Materials Research 2012:380:160–163. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.380.160

15.   Liu J., Jia C., & He C., “Rice straw and cornstarch biodegradable composites”, AASRI Procedia 2012:3:83–88. https://doi.org/10.1016/j.aasri.2012.11.015

16.  Jüri OLT, Viacheslav V. MAKSAROV, Kaarel SOOTS, Tõnu LEEMET, “Technology for the Production of Environment Friendly Tableware”, Environmental and Climate Technologies, 2020, vol. 24, no. 2, pp. 57–66

17.  Tang Xiaozhi,.Alavi Sajid, 2011, Recent advances in starch, polyvinyl alcohol based polymer blends, nanocompositesand their biodegradability, Carbohydrate Polymers, Vol. 85, No. 1, pp. 7-16.

18.  Teixeira E, Curvelo A, Corrêa A, Marconcini J, Glenn G, Mattoso L, 2012, Properties of thermoplastic starch fromcassava bagasse and cassava starch and their blends with poly (lactic acid), Industrial Crops and Products, Vol.37,pp. 61-68.

19.  Schwach Emmanuelle, Avérous Luc, 2004, “Starch-based biodegradable blends: morphology and interface properties”, Polymer International (Society of Chemical Industry), Vol. 53, No. 12, pp. 2115-2124.

20.  Priya Bhanu, Gupta Vinod, Pathania Deepak, Singha A, 2014, “Synthesis, characterization and antibacterial activity of biodegradable starch/PVA composite films reinforced with cellulosic fibre”, Carbohydrate Polymers, Vol. 109, pp. 171- 179.

21. Ghanbarzadeh, B.; Almasi, H.; Entezami, A.A., “Improving the barrier and mechanical properties of corn starch-based edible films: Effect of citric acid and carboxymethyl cellulose”, Ind. Crops Prod. 2011, 33, 229–235.

22.  Lu D, Xiao C, Xu S, (2009), “Starch-based completely biodegradable polymer materials”, Express Polymer Letters, Vol. 3, No. 6, pp. 366-375.

23.  Ratto, J. A., Stenhouse, P. J., Auerbach, M., Mitchell, J., Farrell, R. (1999), “Processing, performance and biodegradability of a thermoplastic aliphatic polyester/starch system”, Polymer, 40, 6777–6788.

24.  ISE22/20-21, Measures to curb disposable plastic tableware, Hong Kong Legislative Council, 5 Aug 2021 https://www.legco.gov.hk/research-publications/chinese/essentials-2021ise22-measures-to-curb-disposable-plastic-tableware.htm

25.  Environmental Protection Department website https://www.rdpt.hk/en/consultation-paper/

26.  Ignacio Sierra, Mauricio Rodriguez Chialanza, Ricardo Faccio, Daniel Carrizo, Laura Fornaro, Andrés Pérez-Parada (2020), “Identification of microplastics in wastewater samples by means of polarized light optical microscopy”, Environmental Science and Pollution Research, 27, pp. 7409-7419

撰写人: CMA Testing  尹亮恒

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