淺談生物可降解塑料

摘 要：對可降解塑料進行了簡單介紹，介紹了可降解塑料的分類及降解機理，探討了其發展中存在的問題，并且對可降解塑料的發展前景進行了分析。

關鍵詞：可降解塑料；機理；分類；發展；

一、前言

塑料是一種密度小、強度高、耐腐蝕的高分子材料，被廣泛應用于工農業生產和國防工業。然而，隨著塑料應用范圍和消費量的日益增大，自然界中的普通塑料制品廢棄物正以每年2500萬噸的速度累積，其中大多數是一次性包裝用品，它們重量輕、體積大、難以降解，回收利用比較困難且不經濟，嚴重威脅和破壞人類和動植物的生存環境。隨著人類環保意識的加強，可從源頭解決“白色污染”問題的可降解塑料已越來越受到重視。根據降解機理，可降解塑料大致分為光降解和生物降解兩大類。光降解塑料在吸收紫外光后可發生引發作用，使聚合物分解為較短鏈的碎片，而后在環境中繼續氧化分解，最終轉化為無害物質。光降解塑料一般可由普通塑料添加光敏劑共聚合成。隨著全球范圍內石油資源的日益短缺以及現代生物技術的發展，最具應用前景的還是生物降解塑料[1]。

二、分類

降解塑料按降解的環境條件分類，可分為非（或不完全）生物降解塑料和全生物降解塑料兩大類，包括光降解塑料、熱氧化降解塑料、淀粉基部分生物降解塑料等。

前者是在普通塑料如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）中加入光敏劑、熱氧化劑、生物誘發劑（如淀粉）等，使一次性塑料制品在完成使用壽命后，加速降解。這些塑料袋的應用性能和價格接近普通塑料袋，而且其廢棄物在光、熱、微生物等環境條件下，也會發生質量劣化、力學性能下降或部分被微生物吞噬等，但不能在較短時間內完全降解成二氧化碳和水。長期跟蹤實驗發現，塑料只要降解破碎成一定程度的小碎片或粉末，不但不會對植物的根系造成危害，還能夠起到疏松土壤的作用。

另一大類為全生物生物降解塑料，包括聚乳酸、脂肪族聚酯、二氧化碳共聚物、聚乙烯醇以及它們與淀粉共混物和塑料合金等，它們的廢棄物能在較短時間完全生物降解，但目前仍處于中試和小批量生產階段，價格比普通塑料高1～10倍，目前較難被市場接受；但從發展來看，具有光明的前景。所以，從減輕環境污染、緩解環境矛盾的角度出發，降解塑料具有一定市場潛力。

目前，國外已采用的光降解技術有合成型和添加型2種。前者是在烯烴聚合物主鏈上引入光敏基團，后者是在聚合物中添加有光敏作用的化學助劑。現對乙烯共聚物類光降解聚合物研究最多。研究表明，聚乙烯降解成相對分子質量低于500的低聚物后，可被土壤中的微生物吸收降解，具有較好的環境安全性。

生物降解塑料是指在自然環境下通過微生物的生命活動能很快降解的高分子材料。按其降解特性可分為完全生物降解塑料和生物破壞性塑料。按其來源則可分為天然高分子材料、微生物合成材料、化學合成材料和摻混型材料等。天然高分子型是利用淀粉、纖維素、甲殼質、蛋白質等天然高分子材料制備的生物降解材料。這類物質來源豐富，可完全生物降解，而且產物安全無毒性，日益受到重視。

微生物合成高分子聚合物是由生物發酵方法制得的一類材料，主要包括微生物聚酯和微生物多糖，其中以前者研究較多。研究發現，目前可用于合成微生物聚酯的細菌約有80多種，發酵底物主要為C1～5化合物。這類產品有較高的生物分解性，且熱塑性好，易加工成型，但在耐熱和機械強度等性能上還不夠好，而且其成本高，尚未得到良好的應用，現正在嘗試改用各種碳源以降低成本[2]。

三、淀粉基塑料的降解機理

（1）生物降解塑料

生物降解塑料是指在一定條件下，在能分泌酵素的微生物（如真菌、霉菌等）作用下可完全生物降解的高分子材料，可分為生物破壞性塑料和完全生物降解塑料。

關于生物降解塑料的降解機理，一般認為：淀粉塑料中的淀粉首先作為微生物（如細菌和真菌）侵噬，使塑料表面積大大增加；同時，微生物分泌出酶，酶進入聚合物的活性位置發生作用，導致聚合物強度下降；另一方面，添加的自氧化劑與士壤中的金屬鹽反應生成過氧化物，過氧化物可切斷聚合物的分子鏈，而聚合物表面積的增大對此過程又有極大的促進作用，進而使聚合物高分子斷裂為低分子物質，并進一步被微生物降解為二氧化碳和水。

（2） 光降解塑料

光降解塑料的降解機理是在塑料體系中引入光敏劑、促氧劑等物質，在光線、熱等自然環境作用下，使高聚物的鏈被斷裂，分子量下降，從而被微生物吞噬消化，達到降解目的。光降解（光氧化）發生在有氧，并且光充足、添加催化劑的條件下，像不飽和脂肪酸的金屬鹽和加成反應的親核試劑可使光降解能力增加。

（3）光-生物降解塑料

光降解和生物降解的結合不僅使材料的降解可控性提高，同時還克服了單純光降解材料在陽光不足或非光照下難降解的問題，也克服了單純淀粉塑料在非微生物環境中難降解的問題。光降解和生物降解具有協同效應，并非是簡單的加合。光-生物降解塑料的降解機理是：淀粉等生物降解劑首先被生物降解，這一過程削弱了高聚物基質，使高聚物母體變得疏松，增大了表面/體積比；同時，日光、熱、氧、引發光敏劑、促氧劑等物質的光氧化和自氧化作用，導致高聚物的鏈被氧化斷裂，分子量下降并被微生物消化[3]。

四、降解塑料存在問題

生物降解塑料作為高科技生物產品和環保產品正成為當今世界研究和開發的熱點。它的發展可從根本上解決傳統塑料制品對生態環境的巨大破壞，對日益枯竭的石油資源是一個補充，充分展示了高新生物技術在環保領域的美好前景，具有巨大的發展潛力。然而我們必須認識到，生物降解塑料在大規模應用之前必須解決如下問題[1]：

（1）市場應用。由于生產可降解塑料的成本偏高，造成其在市場中價格偏高，這樣就給可降解塑料的推廣造成了很大的影響。同時一次性紙制品的迅速崛起也給可降解塑料帶來很大的沖擊。

（2）降解技術尚不成熟。目前很多的光降解塑料都是在塑料中添加光分解劑或者光敏劑，而這些添加劑對塑料的降解效果受到地理環境和氣候的影響很大，這樣就很難做到準確控制降解時間，同時，埋地部分和進入垃圾填埋系統部分也很難得到降解。目前有些所謂生物降解塑料是以簡單的物理共混工藝，將淀粉填充到聚乙烯等樹脂內，雖可加工吹塑成膜，但這種“降解”薄膜，待其內所含淀粉被生物降解后，其聚合物骨架在很長時間內（約20年）仍有50%殘留量，反而為廢棄塑料的回收加工處理增加了困難。

（3）降解塑料的標準及試驗評價方法。對于降解塑料，世界上尚沒有統一的定義、試驗評價方法、識別標志和產品檢測技術，致使缺乏正確統一的認識和確切的評價，產品市場比較混亂，真假難辯[4]。

五、發展方向

生物可降解高分子材料因其獨特的性能而具備了良好的發展前景。以可再生資源研究開發生物可降解高分子材料是出于對資源與環境的考慮，目前雖然關于這方面的研究工作還存在許多尚未解決的問題，但相信隨著科學發展，技術日益進步，材料性能普遍提高，加上公眾環保意識的進一步增強，可再生資源在生產生物可降解材料方面的利用前景會更加廣闊。加之石油資源日益枯竭，發展非石油生物降解塑料具有極其深遠的意義[5]。

參考文獻：

[1]朱復海，孟娟，朱申紅. 生物降解塑料的開發與應用[J].青島建筑工程學院學報，2003，24（1）：97.

[2]錢伯章，朱建芳. 生物可降解塑料發展現狀與前景[J].現代化工，2008，28 （11） ： 82-87.

作者簡介：

何樂秋，（1995.10.09-），女，滿族，遼寧省錦州市人；職稱：學生；單位：鄭州大學；研究方向：化學工程與工藝.