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本研究通过分析2008-2021年美国21种热塑性塑料的19项材料属性与市场表现关系，运用主成分回归法确定聚-3-羟基丁酸酯（PHB）硬度（Shore A）和片材挤出温度两项关键属性。模拟显示硬度提升10%可使PHB市场体积增加431.5万吨并减少188.7公斤碳排放，挤出温度提升10%对应297.5万吨体积增长和99.2公斤减排。研究为生物塑料研发提供数据驱动决策支持，助力循环经济和碳中和目标实现。
Courtney Bower|Paolo Patelli|Babetta L. Marrone|William L. Kubic
A-1信息系统与建模小组，洛斯阿拉莫斯国家实验室，邮政信箱1663，新墨西哥州洛斯阿拉莫斯，87545，美国
摘要
聚羟基丁酸酯（PHB）是一种可生物降解的生物聚合物，是石油基热塑性塑料的有前景的替代品。然而，尽管市场持续增长，PHB仍面临持续的商业化挑战，这些挑战限制了其广泛的应用。现有研究主要集中在优化PHB的生产工艺上，而在了解哪些材料属性的改变能够最有效地提高市场竞争力方面存在关键空白。本研究通过系统分析2008年至2021年间美国市场数据中21种热塑性聚合物的19个材料属性与其市场表现之间的关系，填补了这一空白。我们使用主成分回归分析法来确定能够最大化市场销量同时减少二氧化碳排放的材料属性改进。参数分析显示，两个特定的材料属性——肖氏硬度A（Hardness Shore A）和片材挤出温度（Sheet Extrusion Temperature）——对不同价格点下的PHB市场表现有显著影响。市场模拟表明，肖氏硬度A提高10%可使PHB的市场销量增加4.315亿公斤，并减少1.887公斤的二氧化碳排放；同样，片材挤出温度提高10%可使销量增加2.975亿公斤，同时减少99.2公斤的二氧化碳排放。重要的是，这种方法不依赖于实现这些属性变化的具体方法，而是为材料科学家提供了定量的、基于数据的研究与发展优先级目标。这一框架为评估生物聚合物的竞争力和支持加速PHB市场应用及推动塑料行业脱碳的战略决策提供了新的方法。
引言
聚羟基丁酸酯（PHB）是聚羟基烷酸酯（PHA）家族中研究最为广泛的成员，是一种由多种微生物产生的可生物降解且生物相容的生物酯，作为细胞内的碳和能量储备。与聚丙烯（PP）类似，PHB是一种具有高结晶度、刚性和脆性的热塑性聚合物（Garcia-Garcia等人，2022年）。由于PHB无毒且能完全降解为二氧化碳和水等无害环境的产品（Chen等人，2025年），它有望促进循环经济的发展（Clarke等人，2024年），支持脱碳举措（Zhou等人，2023年；Kuenneth等人，2022年；Gao和Cabrera Serrenho，2025年），并可用于食品包装、农业以及高价值医疗应用（如药物输送系统和组织工程）等领域（Lalonde等人，2024年）。尽管PHB有潜力成为传统塑料的可持续替代品，但其商业市场仍然有限（Molenveld等人，2022年）。PHB面临着来自更成熟的热塑性聚合物的竞争，例如低成本的石油基聚合物（如高密度聚乙烯HDPE）和现有的生物基聚合物（如聚乳酸PLA）。
尽管人们对PHB作为石油基塑料的可持续替代品越来越感兴趣，但在理解PHB的材料属性与其市场表现之间的定量关系方面仍存在关键的知识空白。现有文献广泛记录了PHB的生产方法、可生物降解性和技术限制，但未能确定哪些具体的属性改进能够最有效地提高市场采用率并降低生产成本。虽然有研究试图改善PHB的物理特性，但这些努力并未基于对哪些材料属性改进能带来最大商业影响的系统理解（D’Anna等人，2019年；Mandragutti等人，2024年；de Sousa Junior等人，2022年）。
本研究旨在了解对PHB进行哪些材料属性改进可以在模拟的未来市场中带来更具竞争力的市场销量。这需要对现有聚合物的市场层面进行分析——包括它们的属性、产量、价格和排放情况——以得出一组能够增加总市场销量的属性变化。我们将该项目的研究问题表述如下：
•PHB的特定材料属性改进如何定量影响市场采用指标（如销量和排放量），以及在不同价格点下改进后的PHB预期市场销量增长量和排放量减少量是多少？
重要的是，本研究关注的是均聚物PHB，因为它为了解哪些属性改进可以提高市场竞争力提供了基准。在工业应用中，PHB可以与其他聚合物共聚或混合，以生产出具有不同材料特性的最终聚合物。虽然研究数据集中包含了几种共聚物（如PHBV、PHBH6和PHBH11），这些共聚物相对于PHB具有不同的材料特性，但它们仅用于帮助解释本研究的结果。
方法
本研究调查了2008年至2021年间美国热塑性聚合物的材料属性与其市场销量、价格和排放动态之间的关系。我们的方法包括三个主要部分：(i) 根据已建立的属性数据选择和表征聚合物；(ii) 从公开可用的数据集中收集市场销量、生产和价格数据；(iii) 进行统计建模以量化属性与市场之间的关系。
结果
我们在下面展示了体积敏感性和排放替代分析的结果。在体积敏感性分析中，我们发现19个材料属性中有两个对提高PHB的市场销量有显著贡献。利用这两个属性生产出两种假设的PHB变体PHB?和PHB??后，我们观察到在整个竞争聚合物集合中都实现了排放减少和销量增加。
讨论
在本节中，我们解释了市场敏感性和替代分析的结果，并讨论了这项工作的整体意义。随后，我们分析了我们研究的局限性以及未来改进方法的可能性。
结论
本研究通过量化哪些材料属性改进能够最有效地提高PHB的市场竞争力，填补了生物聚合物研究中的一个关键空白。利用2008-2021年美国市场数据对21种热塑性聚合物进行主成分回归分析，我们确定了两个属性——肖氏硬度A和片材挤出温度——是不同价格点下市场销量的重要驱动因素。我们的市场模拟显示了这些属性的巨大潜在影响：
CRediT作者贡献声明
Courtney Bower：撰写——审阅与编辑，初稿撰写，验证，软件开发，方法论设计，数据整理。Paolo Patelli：撰写——审阅与编辑，软件开发，方法论设计，概念构思。Babetta L. Marrone：撰写——审阅与编辑，项目监督，项目管理。William L. Kubic：项目监督，项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢实验室指导的研究与开发（LDRD）项目编号20240001DR（VESPA：先进生物制造的通用合成平台）以及通过洛斯阿拉莫斯国家实验室的美国能源部。洛斯阿拉莫斯国家实验室由Triad National Security, LLC为美国能源部的国家核安全管理局运营（合同编号89233218CNA000001）。
