《Waste Management》：Effects of composting conditions on rigid PLA/PBAT composite degradation: mechanistic insights from kinetic screening to micro-residue chemistry
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•在25–75 °C条件下，按照ISO 20200标准筛选了三种获得认证的堆肥可降解塑料。•刚性PLA/PBAT复合材料（RBP）在58 °C时分解最慢；t90超过12周的时限。•58 °C非生物降解系列的失重上限约为35%，而对照堆肥处理约为57%。•第60天时小于2毫米的
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在25–75 °C条件下，按照ISO 20200标准筛选了三种获得认证的堆肥可降解塑料。
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刚性PLA/PBAT复合材料（RBP）在58 °C时分解最慢；t90超过12周的时限。
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58 °C非生物降解系列的失重上限约为35%，而对照堆肥处理约为57%。
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第60天时小于2毫米的残留物是聚合物–堆肥混合体，而非已被同化的物质。
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残留物化学终点可补充基于筛分的分解指标。
引言
传统塑料的存续时间跨度为十年至千年，其累计产量超过任何其他合成材料（Geyer等人，2017年，Chamas等人，2020年）。可生物降解塑料在受控条件下实现矿化，已成为一种部分应对措施，其中工业堆肥是认证产品的主要途径（Filiciotto和Rothenberg，2021年，Rosenboom等人，2022年）。在这些材料中，聚乳酸（PLA）、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯（PBAT）及其共混物主导了已认证的刚性和半刚性产品：PBAT弥补了纯PLA的脆性（Aversa等人，2022年），而矿物填料（滑石粉、碳酸钙）的添加可降低生产成本并调节刚性和加工性能（Helanto等人，2021年）。分解程度按照ISO 20200（国际标准化组织，2023年）在EN 13432认证框架内进行评估（TüV SüD，2024年），该框架规定在58 °C下，12周内≥90%的测试材料须通过2毫米筛网。
PLA基可堆肥塑料的分解过程对温度有显著依赖性。酯键的水解断裂是速率限制步骤，纯体系研究表明水解速率随温度呈近似指数增长；聚合物的玻璃化转变温度（PLA的Tg ≈ 58 °C）作为动力学阈值，超过该温度后水的迁移性和链段运动急剧增加（Codari等人，2012年，Limsukon等人，2023年）。与此一致，PLA在常温或中温条件下质量损失可忽略不计，但在Tg以上数周内即发生降解（Karamanlioglu和Robson，2013年）。近期在58 °C标准堆肥条件下的结构分析证实，非晶相完整性的丧失而非结晶相的破坏驱动了早期碎裂动力学（Oh等人，2024年）。在该嗜热设定点以下，PLA薄膜的降解速度显著减慢但并非完全停滞，在中温条件下水解可历时数月（Codari等人，2012年，Karamanlioglu和Robson，2013年，Limsukon等人，2023年）。PBAT的生物降解特征研究不如PLA充分，但在水相、酶促和土壤条件下已有记录，尽管其降解速度通常慢于PLA（Weng等人，2013年，Tabasi和Ajji，2015年，Deshoulles等人，2022年，Lin等人，2023年）。
尽管这种温度依赖性已得到充分确立，但堆肥过程中非生物水解与生物降聚解各自的贡献仍未得到充分厘清。Stloukal等人（2015年）提出了一种两阶段模型，在该模型中，非生物链断裂必须先将分子量降至临界阈值以下（PLA在堆肥条件下约为35 kg mol?1；仅非生物水解条件下约为66 kg mol?1），微生物同化才会开始。因此，非生物阶段决定了整体生物降解的起始，生物阶段决定了后续的质量转化速率，二者通过水解产生的羧酸端基相互耦合，呈自催化关系（Rodriguez等人，2016年）。针对孤立聚合物的酶学研究分别描述了各阶段的贡献，包括酯酶对PBAT的作用（Lin等人，2023年）、共培养共混物水解（Jia等人，2021年）以及嗜热塑料圈层的演替（Finore等人，2023年），但在匹配的热学和水分条件下对同一基体进行平行测量的研究仍然稀缺，使得各阶段的量级和起始点在真实堆肥条件下难以明确归因。
第二个研究空白涉及分解被认为完成后的残留物化学性质。认证阈值（≥90%通过2毫米筛网）是基于质量的几何标准，而非矿化终点。Wohlleben等人（2023年）表明，一种芳香族–脂肪族可堆肥聚酯在工业堆肥碎裂后会释放源自聚合物的中间产物，Deshoulles等人（2022年）在受控非生物条件下记录了PBAT的水解碎裂产生微塑料级残留物。这一脱节在刚性商用产品中最为明显：一种经认证的刚性PBAT/淀粉产品在ISO 20200条件下分解率仅达75%（Afshar等人，2025年），1毫米PLA共混物在实验室与全规模堆肥中的结果存在分歧（Chong等人，2024年），同一种可堆肥聚合物以自由支撑薄膜形式产生的碎片数比刚性产品高出约46倍（Pfohl等人，2024年）。残留物化学性质，尤其是对于含填料复合材料，目前仍缺乏系统表征。
本研究调查了温度、产品形态和组成如何影响已认证商用可堆肥塑料的分解行为和残留物化学性质。在ISO 20200条件下对比了三种分别代表柔性PBAT主导型（FBP）、中刚性PLA富集型（MRBP）和刚性矿物填充PLA/PBAT型（RBP）的产品，并对刚性复合材料进行了更深入考察。研究目标为：（i）区分热–水解基线效应与堆肥环境产生的附加效应；（ii）确定通过2毫米分解标准的材料是否仍保留聚合物组分。通过将分解行为与物理化学、微生物及残留物化学证据相联系，本研究为评估商用可堆肥产品残留物的化学持久性提供了诊断框架。
各节摘要
材料及其组成
对三种获得工业堆肥认证的产品（TüV AUSTRIA OK compost INDUSTRIAL）进行了评估：FBP、MRBP和RBP。样品分别取自一次性勺柄（RBP；3.0 × 1.0 cm矩形，厚约1183 μm）、饮用杯（MRBP；5.0 × 5.0 cm方形，厚约231 μm）以及清华大学食堂用于食品包装的购物袋（FBP；8.0 × 8.0 cm方形，厚约27 μm）；其中RBP和MRBP产品由上海惠翔实业有限公司（中国上海）提供，而
可生物降解塑料在不同温度区间下的堆肥表现
FBP、MRBP和RBP在ISO 20200的四个温度区间下的分解轨迹各不相同。由于该标准通过<2 mm筛网阈值来衡量分解程度，该指标可捕捉整体碎裂情况，但可能遗漏早期的表面预处理阶段。分解轨迹及支撑性的宏观、扫描电镜和动力学记录见图1、图2及图S4–S6。
在常温条件（25 °C）下，三种材料在宏观上均保持完整，无可测量的
结论
在ISO 20200下对三种经认证的可堆肥塑料在四个设定点（25、37、58和75 °C）进行动力学筛选，发现RBP在受法规监管的58 °C设定点下分解最慢，其预测的90%分解时间超出EN 13432规定的12周窗口期。非生物失重表现为DH-P ? HT-P < HT-F(?Nut) < HT-F(+Nut)，表明水分是必要条件，且比表面积和养分添加剂会加剧转化过程。尽管如此，最强的非生物处理仅达到约35%的失重
CRediT作者贡献声明
Muhammad Ajmal：撰写——原稿、形式分析、概念构思。Muhammad Asad：撰写——审阅与编辑、形式分析。Shao Yuchao：撰写——审阅与编辑、概念构思。Wenjing Lu：撰写——审阅与编辑、指导、概念构思。
资金来源
本研究由京津冀环境综合治理国家科技重大专项：首都都市圈城市固体废物区域协同管理关键技术研究及示范（项目编号：2025ZD1204500）资助，以及其子课题4：首都都市圈有机固废新型碳–能梯级利用技术体系研究（项目编号：2025ZD1204504）资助。
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