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生物降解塑料的开发与应用上

发布时间:2021年08月18日    点击:[0]人次

生物降解塑料的开发与应用(上)

目前,塑料的开发利用在日常生活和生产中发挥着巨大的作用,其应用的广泛性为人们生活和各项生产带来了极大的方便。由于塑料的质量轻,体积大,数量多,难以降解,又很难回收利用,日积月累成为“白色污染”的主要来源之一,如何对付“白色污染”成为人们普遍关注的问题。尤其是20世纪90年代以来,随着联合国《环境宣言》和《二十一世纪议程》的发表,以保护生态环境为核心的绿色浪潮的呼声日益高涨。因此,现在国内外降解塑料的研制开发工作非常活跃,并已有部分开始了工业化生产,发展相当迅速。生物降解塑料既具有使用时发挥塑料本身的优良性能,用后废弃时又不给环境带来污染,能被各种微生物(酶)迅速分解的特征。

1 生物降解塑料的降解机理和特点

所谓生物降解是指聚合物在有机体(主要指真菌、细菌和放射线菌等微生物)作用下,分解和同化的过程。在一定条件下,能被生物侵蚀或代谢而降解的塑料称为生物降解塑料。

生物降解塑料的降解机理,即生物降解塑料被细菌等微生物作用而引起降解的形式大致有3种。(1)生物物理作用。即微生物侵蚀塑料制品后,由于生物细胞的增长使聚合物组分分解,电离或质子化从而发生机械性破坏,分裂成低聚物碎片,这就是聚合物由于生物物理作用而发生的降解过程。(2)生物化学作用——酶的直接作用。此时,微生物侵蚀部分导致塑料分裂或氧化崩裂,即真菌或细菌分泌的酶,使非水溶性聚合物分解或氧化降解成水溶性碎片,生成新的小分子化合物直至最终分解成CO2和H2O,这种降解方式属生物化学降解方式,合成高分子只是在大分子链末端才受微生物作用,酶对远离链端处作用较困难,烃类的生物降解既与链长有关也与分子链的规整度有关。(3)微生物侵蚀后其细胞的增长而使聚合物产生新的物质。

生物降解塑料具有如下特点:(1)可制成堆肥回归大自然;(2)因降解而使体积减少,延长填埋场使用寿命;(3)不存在普通塑料要焚烧问题,减少了有害气体的排放;(4)可减少随意丢弃对野生动植物的危害;(5)储存运输方便,只要保持干燥,不需避光;(6)应用范围广,不但可以用于农业、包装工业,还可广泛用于医药领域。

2 生物降解塑料的研究现状和进展

根据降解机理和破坏形式,生物降解塑料可分为完全生物降解塑料和生物破坏性(或称崩溃性)塑料2种。完全生物降解塑料在微生物作用下,于一定时间内完全分解为二氧化碳和水等小分子化合物。而生物破坏性塑料则仅分解为散乱碎片。

按制造方法,生物降解塑料可分为:人工合成类、微生物合成类、天然高分子类3大类。

2.1 人工合成类

用化学合成法生产的生物降解塑料,已经具实用价值并商品化的主要有聚乳酸、脂肪族聚酯、聚酯酚胺等。

2.1.1 聚乳酸(PLA)

PLA是生物发酵产品,提高收率和质量的关键技术之一是筛选性能优良的菌种。

PLA的具体制作方法是以淀粉、糖蜜等生物资源为原料发酵制得L一乳酸,再用化学方法合成制得PLA。合成方法主要有2种:其一是以聚合级 L一乳酸为原料,在酸类等引发剂存在下,先制成环状二聚体,再在催化剂存在下开环聚合而成;另一种是在溶剂存在下PLA可进行脱水缩合反应,直接合成高分子量的PLA。第一种方法的优点是:可通过改变引发剂的种类和浓度将相对分子质量控制在数十万至100万,也可以和己内酰胺等环状内酯共聚,改变降解性和成型加工性能。第二种方法的优点是:产品几乎不含杂质,其耐候性和热稳定性更好。PLA是热塑性塑料,其可塑性与聚苯乙烯和PET、相似,因而可采用传统的成型加工方法。PLA具有良好的生物降解性,降解速度随环境条件不同而异,一般土壤掩埋后3~6个月破碎,6~1 2个月变成乳酸,在土壤中微生物代谢作用下最终转变成二氧化碳和水,不会给环境带来污染。

我国是农业大国乳酸资源丰富,但现有乳酸品种都是通用的消旋乳酸,质量达不到聚合要求,L一乳酸年产量仅有千吨。国内PLA的研究工作正在进行当中,中山大学高分子研究所、成都有机所等单位开展了一些研究工作,但与国外有较大差距。

2.1.2 聚(ε一)己内酯(PCL)类

20世纪70年代,人们就认识到,ε一己内酯能够进行正、负离子及络合型开环聚合,得到高分子的聚合物,其均聚物具有良好的降解性。在90℃、催化剂作用下,ε一己内酯可聚合成PCL。美国UC公司已有产品Tone P一767和P一788。PCL是高度结晶的热塑性树脂,用传统的加工技术进行加工,可制成薄膜和其他包装材料。PCL和中等密度聚乙烯相似,具有蜡感。PCL还能支持真菌生长,可用作微生物的碳源,在泥土中会慢慢降解,1 2个月可失重95%,但在空气中存放1年未观察到降解。

2.1.3 聚酯酰胺(PEA)类

在较低温度下进行酰胺二元醇与二元羧酸的酯化反应,然后在高温、高真空下进行聚合脱水反应而获得高分子量的聚酯酰胺。由于酰胺键的存在,给聚合物带来极性较大的基团,使聚酯酰胺的分子结构成规则排列,从而具有优异的物理化学性能。用扫描电子显微镜观察可知首先是材料的表面腐蚀,然后是晶区的破坏,最后是整个分子链的破坏,从而实现材料的降解。

2.2天然高分子材料类

天然高分子分植物和动物2种。植物的细胞壁主要由纤维素、淀粉、木质素等组成。动物高分子包括甲壳素及脱乙酰化甲壳素。德国法兰克福巴特尔研究所研究人员发明了一种新的生物降解性塑料!这种名为Biocellat的塑料是在二酯酸纤维素中加入一种已获专利的低分子量有机物,因而具有可生物降解性。该聚合物掩埋后,在6个月内约40%司以变为CO2和H2O。日本利用自然界甲壳素为厉料试制成纤维素、壳聚糖系列的生物可降解薄膜,这种薄膜在土壤中很快分解。美国米歇根州立大学的科学家报道,可以用得自遗传工程作物的聚羟基丁酸酯(PHB)制造可降解塑料。这是首次利用遗传工程操作使植物制造除蛋白质以外的化合物。

2.2.1 淀粉塑料

淀粉本身很脆,不宜单独用作降解材料使用,必须要通过物理改性、化学改性改变其分子结构,使其达到使用要求。改性的方法包括接枝共聚法、氢键缔合法、掺和法等。

2.2.1.1接枝共聚法

接枝共聚法就是让淀粉或改性淀粉在游离基弓发剂存在下,同其他不饱和单体(如丙烯晴、苯乙烯丙烯酸及其酯类)进行接枝共聚或嵌段共聚,接枝共聚塑料多以颗料淀粉为原料,产品一般不溶于冷水反应后易分离。制得的淀粉共聚物加入合成聚合物基料,配以增粘剂、稳定剂、填料等便可制得塑料产品。

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