天然聚合物的應(yīng)用與可持續(xù)發(fā)展

王　娜　張　瀾　胡曉文

[摘要]利用纖維素、淀粉、半纖維素和殼素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)，或者其他天然聚合物都能得到我們所需的塑料。從天然聚合物得到啟發(fā)，我們可以由可再生原材料制備許多有用的新型材料，以達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

[關(guān)鍵詞]天然聚合物 纖維素 淀粉 半纖維素和殼素 木質(zhì)素 蛋白質(zhì) 可持續(xù)發(fā)展

中圖分類號(hào)：TQ31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671－7597（2009）0720004－01

一、引言

今天使用的許多有機(jī)化工產(chǎn)品都是由不可再生的煤、石油、天然氣制備的。這些物質(zhì)使用后生成二氧化碳這種導(dǎo)致全球變暖的溫室效應(yīng)氣體。為了可持續(xù)發(fā)展，有機(jī)產(chǎn)品最好能以田野和森林的可再生資源制備。本文主要介紹纖維素、淀粉、半纖維素和殼素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)，這幾種天然聚合物在可持續(xù)發(fā)展中的應(yīng)用。

二、纖維素

木材中含有纖維素以及24%的半纖維素和22%的木質(zhì)素。在棉花、劍麻、黃麻、亞麻、大麻以及其他類似的產(chǎn)品中也有纖維素。它是一種葡萄糖的聚合物。用Acetobacter xylinum的方法能從蔗糖中制得纖維素。這種細(xì)菌纖維素具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，如果做到降低成本，將會(huì)成為一種重要材料。

亞麻制品具有很好的舒適感和強(qiáng)度，吸水性也比棉花更優(yōu)。目前人們嘗試改進(jìn)將纖維素與亞麻作物的其他部分分離的工藝，使制作流程更簡(jiǎn)單。原先漚麻工藝是將作物在濕地里浸放幾周，新的方法則包括十二烷基磺酸鈉和草酸在75℃下加熱2h以及蒸汽處理。通過在甲基丙烯酸甲酯或2-羥乙基異丁烯酸上接枝，亞麻的堅(jiān)韌度能改善50%、黃麻可改善110%。亞麻作物可作為衣物纖維、油漆涂料、環(huán)氧衍生物等的來(lái)源。

很多纖維素的衍生物，主要是酯類和醚也被制造出來(lái)。如今商業(yè)上加以利用的有甲基、乙基、羧甲基、羥乙基和羥丙基醚，它們被用作水溶性高分子。只有乙基纖維素，它是一種堅(jiān)硬的塑料，被用作工具手柄等。用聚乙二醇塑化后的甲基纖維素被證明可用于防止水果水分流失的可食用涂層。纖維素衍生物不能大量推廣的主要原因是，相對(duì)于聚烯烴和其他從石油、天然氣得到的塑料而言，它們的成本更高。如果設(shè)計(jì)出更簡(jiǎn)單、更廉價(jià)的方法來(lái)制備纖維素衍生物，它們會(huì)更有競(jìng)爭(zhēng)力。

三、淀粉

淀粉也是葡萄糖聚合物，以α-1，4苷鍵連接，主要有線型的直鏈淀粉和大分子量的支鏈淀粉。從含有30%水分的高直鏈淀粉混合物中擠壓出來(lái)的淀粉纖維，適于制造紙張和織物。使用前，需加入乙二醛或己二醛來(lái)實(shí)現(xiàn)部分交聯(lián)以增加防水性。含有水或丙三醇?jí)嚎s模式的高直鏈淀粉比較堅(jiān)硬，如果加入纖維素微纖則更堅(jiān)硬。因?yàn)樵鏊軇?huì)隨著時(shí)間揮發(fā)而轉(zhuǎn)移或?yàn)V除，所以最好使用像聚丙三醇、聚環(huán)氧乙烷這樣的高分子增塑劑。目前可將含有水或丙三醇的淀粉模塑成型制造餐具、食用器皿和其他物品，最好再增加一層薄膜以增強(qiáng)防水性。薄膜的原料可以從角質(zhì)、樹葉外層和水果外皮的蠟狀物等食品加工廢料中得到。

通過擠出淀粉－甲基丙烯酸酯接枝共聚物可以制得堅(jiān)硬的革制塑料。因?yàn)榈矸郾壤w維素更柔順，所以能用擠壓機(jī)制備它的很多衍生物。使用聚合物混合物可以改善防水性，例如使用淀粉與乙烯和乙烯醇的共聚物混合物就可以達(dá)到這個(gè)目的。通過烘焙淀粉和水合聚乙烯醇的混合物可制得發(fā)泡餐具。這兩者都需要水或丙三醇作增塑劑。將30%的合成聚酯與70%的淀粉或麥麩模塑成型已經(jīng)制得刀叉、餐具等產(chǎn)品。

四、半纖維素和殼素

少量的半纖維素正用于水解生成木糖，以便催化加氫得到甜味佐料－木糖醇。另一種很好的用途是將半纖維素用作發(fā)酵的底物。包含14%膠質(zhì)、12%半纖維素和41%木質(zhì)纖維素的蘋果廢料可以被注射成型。

殼素也是一種未被充分利用的原料。它是地球上含量最豐富的高分子之一，存在于蚌殼、蝦殼等殼中。它是一種乙酰氨基葡萄糖的聚合物。水解殼素得到的胺叫做殼聚糖。部分酰基化（如乙酰基、丁酰基、己酰基或十二酰基）的殼聚糖可以從水溶液中紡制，接著加熱到高于180℃，可得到在水和甲酸中不溶的具有高拉伸強(qiáng)度和模量的纖維。利用殼聚糖作為凝結(jié)劑處理制造豆腐的廢水，可用作動(dòng)物飼料。

五、木質(zhì)素

大部分從造紙業(yè)獲得的木質(zhì)素都僅僅被用作燃料。幾乎所有的木質(zhì)素都是通過加入磺酸基團(tuán)的Kraft工藝，從木材中提取出來(lái)的。有一種新的工藝流程但還沒有商業(yè)化，它是將木材與水合乙醇反應(yīng)，從而提取木質(zhì)素。這種“organosolv”木質(zhì)素具有低于1000的平均分子量和2.4～6.3的多分散性，并在一些有機(jī)溶劑和稀堿中溶解。這種木質(zhì)素在黏合劑和樹脂中比Kraft木質(zhì)素具有更多的用途，已經(jīng)被用作乙烯乙酸乙烯酯共聚物的增強(qiáng)填料。

木質(zhì)素與苯乙烯的接枝共聚物是熱塑性的。IBM正將木質(zhì)素用于電路板中。通過加入聚乙酸乙烯酯、二苯甲酸二乙基乙二酯和茚，已經(jīng)制得包含85％非衍生Kraft木質(zhì)素的塑料。木質(zhì)素的加入使木質(zhì)素－淀粉復(fù)合物比單獨(dú)使用淀粉的疏水性強(qiáng)。

六、蛋白質(zhì)

將蛋白質(zhì)用于塑料可追溯到亨利福特對(duì)大豆的研究。基于蛋白質(zhì)的薄膜、纖維和塑料所遇到的問題是：太脆，吸水性太強(qiáng)和需要防止微生物降解以保證其穩(wěn)定性。其中太脆是因?yàn)榉肿恿康停滈g氫鍵太多，或者交聯(lián)太密。可以通過加入增塑劑以破壞氫鍵，最好這些增塑劑能聚合起來(lái)，甚至接枝到蛋白質(zhì)上，以防止濾去、移走或揮發(fā)。減少脆性最好的方法是將橡膠輕度接枝到聚合物上。加入增強(qiáng)纖維和填料，如玻璃纖維也可以增加強(qiáng)度。通過增加疏水基團(tuán)可以減少吸水性，這些方法用于蛋白質(zhì)已經(jīng)獲得一些成功。

大豆蛋白塑料可被多羥基醇塑化，比如與丙三醇、乙二醇和丙二醇。這種塑料如果保持干燥，就具有與工程高分子塑料相競(jìng)爭(zhēng)的潛力。牛奶蛋白和酪蛋白可以制備許多有用的塑料。最好使用甲醛作交聯(lián)劑，以及更溫和的交聯(lián)劑效果會(huì)更好。經(jīng)堿、酶或胰島素處理過的大豆蛋白是很好的黏合劑。用新的改良過的大豆蛋白質(zhì)膠制造出的膠合板具有與傳統(tǒng)酚醛樹脂相媲美的性能。

七、結(jié)論

利用纖維素、淀粉、半纖維素和殼素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)，以及其他天然聚合物都能得到我們所需的塑料。理想情況下，塑料或其他產(chǎn)品應(yīng)該具有類似或比石油提煉出來(lái)的產(chǎn)品更好的性能。在生產(chǎn)化工產(chǎn)品的過程中，能量是必須考慮的一個(gè)重要因素，因此可再生資源一定會(huì)取代現(xiàn)今使用的礦物化石類燃料能源，生產(chǎn)塑料將不需要更多能量，成本低廉。

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