生物降解高分子材料分析及應用研究

李延壘（河南質(zhì)量工程職業(yè)學院， 河南 平頂山 467000）

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生物降解高分子材料分析及應用研究

李延壘（河南質(zhì)量工程職業(yè)學院， 河南 平頂山 467000）

摘要：隨著社會的進步，高分子材料在日常生活中的各個方面越來越被廣泛的使用，同時也造成了一定的資源浪費和環(huán)境污染。因此，開發(fā)新型環(huán)境友好型的生物降解材料顯得尤其重要，并在世界范圍內(nèi)掀起了一股熱潮。本文綜述了生物降解高分子的降解機理，著重介紹生物降解高分子材料的分類和研究應用進展。

關鍵詞：生物降解；高分子材料；降解機理

0 引言

如今，高分子材料的使用量在某種意義上已經(jīng)成為衡量一個國家工業(yè)化程度和人民生活水平的重要標志。隨著一些高分子材料的飛速發(fā)展，對人們的生活方面的影響越來越大，高分子材料給人類的日常生活帶來了很大的便利，使得生活質(zhì)量得到很大的提高。但是，由于大量使用高分子材料后而產(chǎn)生了非常多的塑料廢棄物，這些廢棄物在處理起來是一件非常棘手的問題，嚴重威脅著人類的生存環(huán)境，給自然環(huán)境帶來不可磨滅的負面影響。

目前對于塑料垃圾的處理方法非常有限，而且由于這些方法帶來的二次污染問題還沒有得到有效的解決。通用的處理手段有：填埋、焚燒和回收再利用。填埋法是經(jīng)常使用的一種處理方法，這種方法也有一定的弊端，比如說由于填埋需要，大量的土地被用來進行填埋塑料垃圾，造成土壤的浪費，而且使得土壤的肥力下降，持續(xù)劣化；在對塑料垃圾進行焚燒處理可以獲得很好的效果，但是同時容易產(chǎn)生有毒有害氣體，造成二次污染。另外對塑料垃圾的回收再利用的難度非常大，花費的成本也比較高，進行回收處理也無法達到令人滿意的效果。從我國的具體國情來看，對塑料垃圾進行焚燒和填埋的方法并不是十分明智的選擇，最好的途徑就是從原材料下手，改變材料的類型，加大對環(huán)境可降解的高分子材料的開發(fā)力度，這樣才能從根本上解決問題。

1 生物降解高分子定義和降解機理

一般來說，生物降解高分子材料不需要光、熱和水等條件，而僅僅依靠微生物作用就能夠發(fā)生一系列的物理化學反應，最終生成CO2和H2O，所有的生成物都能夠被環(huán)境完全吸收，不會對環(huán)境造成污染，從而減少了對人類的危害。目前對于可降解高分子材料的研究越來越深入，對其概念也做了非常科學的定義，得到了廣泛的認可和統(tǒng)一。按ASTM定義認為生物降解材料是指通過自然界微生物（細菌、真菌等）作用而發(fā)生降解的高分子。

生物降解的降解作用形式主要分為三種：物理作用、化學作用和酶的直接作用。物理作用指的是一些微生物細胞能夠粘附在高分子材料的表面，這些細胞通過自身的增長使得材料發(fā)生機械性的損壞。化學作用主要是由于外界PH或者濕度的變化而發(fā)生了一些化學變化，產(chǎn)生一些新的官能團。

2 生物降解高分子材料的分類

按照材料來源和生產(chǎn)方法的不同，可以將生物降解高分子材料分為以下三種。

（1）微生物生產(chǎn)高分子 通過微生物發(fā)酵獲得高分子材料。較有代表性的是英國ICI公司開發(fā)的3-羥基丁酸和3-羥基戊酸酯的共聚物（PHBV）及其衍生物（商品名為Biopol）和日本東京工業(yè)大學資源研究所開發(fā)的聚羥基丁酸酯（PHB）。這類產(chǎn)品具有較高的生物分解性，但由于其較高的生產(chǎn)成本，使得其價格非常昂貴，目前在消費中占了非常低的比重。努力開發(fā)新的工藝方法可以降低成本，是這種方法今后的發(fā)展方向。

（2）合成高分子材料 如已成為研究開發(fā)熱點的聚乙烯醇和主要活躍在醫(yī)用領域的聚乳酸（PLA）等，另外還有美國Union Car-bide公司以聚己內(nèi)酯（PCL）為原料開發(fā)的商品名為“Tone”的產(chǎn)品（售價在4.4美元/kg左右）。

（3）天然高分子材料 是指用纖維素、淀粉、甲殼素、單寧和樹皮等為原料合成的塑料，用這些原料制成的材料可以完全降解，對環(huán)境帶來的壓力幾乎可以忽略不計，對于解決資源枯竭和環(huán)境污染的治理問題具有重要的意義。目前，美國、日本、奧地利和中國等國家正積極研究開發(fā)這類降解塑料，它們具有很好的完全生物降解性和透氣性。

天然高分子材料雖然具有以上的優(yōu)點，但是它的熱力學性能相對較差，因此如何制得具有更好降解性和實用性的生物降解材料是擺在國內(nèi)外研究者面前的一個重要的研究課題。

3 生物降解高分子材料的應用

20世紀80年代后，人類所面臨的環(huán)境污染與能源枯竭問題越來越嚴峻，在這種背景下，生物降解材料逐漸發(fā)展起來，作為一種新型的環(huán)保材料，也更多的被應用于日常生活當中。隨著人們生活質(zhì)量的提高，相應的對生活環(huán)境提出了更高的要求，使得該產(chǎn)業(yè)獲得的很好的發(fā)展機遇，展示出蓬勃的發(fā)展前景。根據(jù)相關分析，生物降解材料主要在以下幾個領域的發(fā)展比較好，在市場中比較受歡迎。

3.1 水域環(huán)境中生物降解材料的應用

據(jù)日本有關部門對水域環(huán)境的調(diào)查結(jié)果表明，高分子材料的污染有廢漁網(wǎng)、廢棄的漁船、廢的聚苯乙烯（來源于保溫漁箱），由于水域環(huán)境的特殊性，決定了其不易回收、管理難度大的問題。這些廢棄物不易被注意，因而其危害性也越大。

由于生物崩解性的降解材料可能產(chǎn)生二次污染，所以對漁網(wǎng)生物降解性的要求越來越高，能完全降解為C02和H2O是其發(fā)展的必然趨勢。但在實際操作中，漁網(wǎng)的質(zhì)地、性能強度與生物降解性的矛盾已成為研究開發(fā)的關鍵。

目前使用的漁網(wǎng)線材料大體可分為尼龍（PA）、聚酯（PET）和聚乙烯（PE）等。其中PA的生產(chǎn)和使用量是最大的，很受人們的青睞。相對而言，PE的價格雖然貴些，但其強度大，故而也很受歡迎。近來PCL的出現(xiàn)為生物降解材料在這一領域的應用開辟了新的途徑。

3.2 容器包裝材料中生物降解材料的應用

發(fā)泡聚苯乙烯、聚乙烯和聚丙烯是大多數(shù)容器包裝材料中主要的化工材料，主要用于一些一次性使用的商品的包裝和一些容器中，在這些物品中經(jīng)常被使用到，是造成白色污染的罪魁禍首。基于這個原因，人們開始考慮用一些可降解的塑料來取代這些污染比較大的材料，這些舉措有利于減少塑料垃圾對于環(huán)境的破壞，幫助我們更好的治理塑料污染帶來的環(huán)境問題。如用生物降解塑料制成的各種包裝袋以及各種包裝容器等，廢棄后可和垃圾一起被降解成肥料，給垃圾處理帶來極大的方便。

在現(xiàn)有食品包裝用材料（發(fā)泡聚苯乙烯、聚乙烯和聚丙烯）中加入淀粉、生物降解劑、生物降解促進劑、光敏劑、光敏促進劑和其他一些添加劑，可制成生物降解食品包裝材料，或生物和光雙降解食品包裝材料，在食品包裝材料中得到的廣泛的使用。

3.3 玩具及體育器械中生物降解材料的應用

玩具的生產(chǎn)中塑料的使用已相當普遍，廢棄玩具的回收在實際操作中具有很大的難度。在日本有一種稱為“自由樹脂”的塑料，這種塑料在60℃的溫下能夠展示出很好的延展性，根據(jù)這個特性可以將這些塑料捏造成各種各樣的形狀，制成玩具、裝飾品、文具等，在冷卻以后又展現(xiàn)出很好的硬度，有利于形狀的保持，同樣的再加熱到60℃以后又開始變軟，重新用來塑造形狀。大一點的孩子或成人對于滑雪運動不會陌生，但對于滑雪板的彎曲強度和抗沖擊強度與材料的關系方面了解的人可能不多。最近一些材料專家用聚酰胺纖維、碳纖維及環(huán)氧樹脂作原料，采用拉擠工藝，生產(chǎn)出一種滑雪杖，這種滑雪杖抗沖擊強度高、彎曲強度大，已經(jīng)被大力開發(fā)和使用。

3.4 降解材料在醫(yī)學領域的應用

隨著高分子材料的飛速發(fā)展，越來越多的材料在日常生活中得到應用，其中每種材料的性質(zhì)也有非常大的差別。在醫(yī)學領域中材料的使用也有很長的歷史，主要用于人體各種組織的修復與置換，也可以作為藥物控制體系的載體材料和體內(nèi)短期植入物，在這些方面的應用最多。將用生物降解高分子作為載體的長效藥物植入體內(nèi)，在藥物釋放完之后也不需要再經(jīng)手術將其取出，這樣可以有效的幫助患者減輕病痛，也可以達到更快的治愈。目前作為藥物載體被廣泛研究的生物降解性高分子有聚乳酸、乳酸一己內(nèi)酯共聚物、乙交酯一丙交酯共聚物和己內(nèi)酯一聚醚共聚物等脂肪族聚酯類高分子，此外還有膠原、海藻酸鹽、甲殼素、纖維素衍生物等天然高聚物。這種生物降解高分子是抗癌、青光眼、心臟病、高血壓、止痛以及避孕等長期服用藥物的理想載體。這類材料可在生物環(huán)境作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞和性能蛻變，其降解產(chǎn)物能通過正常的新陳代謝或被肌體吸收利用或被排出體外，主要用于送達載體及非永久性植入裝置。

另外，生物降解高分子材料也可用于文體用品中的高爾夫球具、釣魚竿和海洋、登山等野外制品等，具有很好的發(fā)展前景。

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Analysis and application of biodegradable polymer materials

Liyanlei (Henan Quality Engineering Vocational College Pingdingshan 467000)

Abstract:With the progress of society, more and more polymer materials are used, but at the same time it caused a waste of resources and environmental pollution. Therefore, biodegradable materials, development of new environmentally friendly is particularly important, set off a craze in the world. The degradation mechanism of biodegradable polymers is reviewed in this paper. The classifi cation and research progress of biodegradable polymer materials are reviewed.

Keywords:biodegradation; polymer materials; degradation mechanism