生物降解高分子材料

生物降解高分子材料第1頁/共17頁

降解過程生物化學(xué)作用

1）高分子材料的表面被微生物黏附，微生物黏附表面的方式受高分子材料表面張力表面結(jié)構(gòu)多孔性溫度和濕度等環(huán)境的影響。

2）高分子在微生物分泌的酶作用下，通過水解和氧化的反應(yīng)將高分子斷裂成為低相對分子質(zhì)量的碎片。

3）微生物吸收或消耗的碎片一般相對分子質(zhì)量低于500，經(jīng)過代謝最終形成CO2、H2O等。生物物理作用微生物侵蝕高分子后由于細(xì)胞的增大致使高分子材料發(fā)生機(jī)械性破壞。第2頁/共17頁降解高分子材料的分類光降解高分子光—生物降解高分子水降解高分子生物降解高分子按降解機(jī)理分類第3頁/共17頁生物降解高分子完全生物降解高分子(biodegradable)完全生物降解高分子指在微生物作用下，在一定時(shí)間內(nèi)完全分解為CO2和H2O的化合物。如聚羥基丁酸酯（PHB），聚環(huán)己內(nèi)酯（PCL）。生物破壞性高分子(biodestructibleorbiodisintegrable)指在微生物作用下，高分子僅能被分解為散亂碎片。如淀粉添加的聚苯乙烯（PS）、聚烯烴。第4頁/共17頁（１）化學(xué)合成的完全生物降解塑料選擇適宜的單體和催化體系，經(jīng)化學(xué)合成的方法制得可生物降解塑料，在這些塑料中，脂肪族聚酯、聚乙烯醇（PVA）和聚乙二醇等是代表產(chǎn)物。人們利用這些塑料易生物降解的特性對其進(jìn)行深入、廣泛的研究與開發(fā)。其中對脂肪族聚酯的研究尤為引人注目。脂肪族聚酯可以被脂肪酶水解成小分子，然后再進(jìn)一步被微生物同化。在眾多的脂肪族聚酯中，聚已內(nèi)酯（PCL）應(yīng)用較廣。（２）天然的完全可生物降解的高分子（３）用生物發(fā)酵技術(shù)合成的完全生物降解塑料微生物在新陳代謝過程中，在合成蛋白質(zhì)、核酸和多糖等大分子物質(zhì)的同時(shí),在細(xì)胞內(nèi)還貯存聚酯—聚b-羥基丁酸酯（PHB）。這是一種塑料樣的可生物降解的高分子材料。第5頁/共17頁

生物破壞性塑料是一種不能完全生物降解塑料。其研究重點(diǎn)是在通用塑料中混入具有生物降解特性的組分，當(dāng)其制品消費(fèi)后，經(jīng)一定時(shí)間可生物降解組分降解，至使其制品喪失力學(xué)性能與形狀，以很小的粒子或碎片分散在自然界，避免造成宏觀污染，但微觀上的影響依然存在。由于生物破壞性塑料可以沿用通用塑料的加工工藝和設(shè)備，其生產(chǎn)成本較低，仍然有一定的消費(fèi)市場。但是它不能從根本上解決“白色污染”。第6頁/共17頁降解高分子材料的分類按降解高分子的組成和結(jié)構(gòu)分類摻混型摻混型是指在普通高分子中加入可降解的物質(zhì)或可促進(jìn)降解的物質(zhì)制得的降解高分子。結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型是指本身具有降解結(jié)構(gòu)的高分子。第7頁/共17頁

高分子材料的生物降解性與其結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，高分子的形態(tài)、形狀、相對分子質(zhì)量、氫鍵、取代基、分子鏈剛性、對稱性等均會影響其生物降解性。一般情況下只有極性高分子材料才能與酶相黏附，并很好地親和。因此具有極性是高分子材料生物降解的必要條件。第8頁/共17頁高分子結(jié)構(gòu)與降解性關(guān)系

具有側(cè)鏈的化合物難降解，直鏈高分子比支鏈高分子交聯(lián)高分子易于降解。比較相對分子質(zhì)量范圍為170~620的線性和支鏈性碳?xì)渚酆衔锇l(fā)現(xiàn)支鏈性聚合物的真菌生長速度明顯小于線性聚合物。？？柔軟的鏈結(jié)構(gòu)容易被生物降解，有規(guī)晶態(tài)結(jié)構(gòu)阻礙生物降解，所以聚合物的無定形區(qū)總比結(jié)晶區(qū)域先降解，脂肪族的聚酯較容易生物降解，而像PET等硬鏈的芳香族聚酯則是生物惰性的。主鏈柔順性越大，降解速度也越大。在塑料制品生產(chǎn)中添加的增塑劑也對塑料的生物降解性產(chǎn)生影響。具有不飽和結(jié)構(gòu)的化合物難降解，脂肪族高分子比芳香族高分子易于生物降解。第9頁/共17頁

相對分子質(zhì)量對生物降解性也有很大影響。由于許多由微生物參與的聚合物降解都是由端基開始的，高相對分子質(zhì)量的聚合物因端基數(shù)目少，降解速度較低。寬相對分子質(zhì)量分布的聚合物，低聚物比高聚物易于降解。非晶態(tài)聚合物比晶態(tài)的較易進(jìn)行生物降解。低熔點(diǎn)高分子比高熔點(diǎn)高分子易于生物降解。酯鍵、肽鍵易于生物降解，而酰胺鍵由于分子間的氫鍵難以生物分解。親水高分子比疏水高分子易于生物降解。聚合物的親水性和疏水性鏈段對生物降解性的影響也很大，研究發(fā)現(xiàn)同時(shí)含有親水性和疏水性的鏈段的聚合物比只有一種鏈段結(jié)構(gòu)聚合物更容易生物分解。環(huán)狀化合物難降解。表面粗糙的材料易降解。第10頁/共17頁常見高分子主鏈的降解性

第11頁/共17頁第12頁/共17頁高分子降解理論高分子降解生物降解化學(xué)降解物理化學(xué)降解環(huán)境降解微生物酶作用降解氧化降解臭氧降解加水降解熱降解光降解放射線降解超聲波降解機(jī)械降解以上三大降解的綜合第13頁/共17頁降解形式無規(guī)斷鏈解聚弱鍵分解取代基的脫除第14頁/共17頁

可降解塑料作為高科技產(chǎn)品和環(huán)保產(chǎn)品正成為當(dāng)今世界矚目的研究開發(fā)熱點(diǎn)，而其中生物降解塑料能保持塑料特性，即使用中的穩(wěn)定性、各種應(yīng)用性、易處理性以及經(jīng)濟(jì)