開題報告-生物降解膜

PAGE2浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文）開題報告班級06材料科學與工程姓名黃夢澤課題名稱納米TiO2生物降解薄膜的拉伸強度研究開題報告課題研究的意義與可行性1.1生物降解膜的介紹與國內外的發(fā)展1.2生物降解膜的應用前景本課題的研究內容2.1納米TiO2光催化劑2.2光催化劑的催化機理2.3納米TiO2在生物降解膜中的光催化研究2.4適應各種需求光催化生物降解膜需做的突破3.課題研究的實施方案4.參考文獻成績：答辯意見答辯組長簽名：年月日系主任審核意見簽名：年月日課題研究的意義與可行性當前社會資源與環(huán)境是人類在21世紀實現可持續(xù)發(fā)展所面臨的重大問題，生物技術將成為解決這一問題的關鍵技術之一。在造成環(huán)境污染的諸多因素中，塑料廢棄物造成的公害已引起了社會的廣泛關注。21世紀初，我國的塑料包裝材料用量很大，年用量將達到5000萬噸，如果其中有30％為一次性發(fā)泡塑料，那么全國每年的廢棄塑料將有1500萬噸以上；全國有5億畝土地可利用地膜，目前僅有30％的土地利用了地膜，再加上育苗缽和農副產品保鮮膜，這些塑料廢棄物每年約有1000萬噸；其它方面的廢塑料約有1000萬噸；這樣每年全國廢塑料總量將達到3500萬噸，其污染所造成的環(huán)境壓力不言而喻。如果在這些廢棄塑料中有30％為可降解塑料，那么我們的環(huán)境將會得到大大的改善，據不完全統計，我國僅有100多個生產降解塑料的廠家，生產能力不到10萬噸，遠遠趕不上市場的需求。目前世界上主要生產降解塑料的國家有美國、日本、德國、意大利、加拿大和以色列等國，品種有光降解、光-生物降解、崩壞性生物降解、完全生物降解等類型。生物降解塑料在可降解塑料中最具發(fā)展前途。世界上的生物降解塑料主要是采用脂肪族聚酯或脂肪族聚酯混合淀粉制造的，脂肪族聚酯主要包括以石油為原料合成的聚己（PCL）、聚丁烯（PBS）及共聚體，還有以可再生資源為原料生產的聚乳酸、由微生物生產的聚羥基酪酸（PHB）等。生物降解塑料被分解后，成為水和二氧化碳，因此不會對環(huán)境產生危害。最近采用聚乳酸制造生物降解塑料的技術特別引人注目，美國卡基爾·道聚合物公司已開始建設生產聚乳酸的工廠，到2001年底，年產14萬噸的設備已投產；日本三菱樹脂公司正在建設年產3500噸規(guī)?？山到獗∧ぶ圃煸O備，到2002年擴大到年產1萬噸。從降解塑料應用領域分析，北美1989年降解塑料總銷售量的88萬噸中，其中用于包裝達76萬噸，包括包裝袋類56萬噸(其中垃圾袋47.5萬噸，購物零售袋等8.5萬噸)，飲料罐提環(huán)10.5萬噸，其它包裝9.5萬噸（其中有衛(wèi)生用無紡布5.5萬噸，農業(yè)用2.5萬噸），其它領域用4萬噸。當時預測至2000年，包裝用量達248萬噸，無紡布為30萬噸，農業(yè)用16萬噸，其它26萬噸。1989年-1994年，包裝用年平均增長率為16.2%，無紡布為21.4%，農業(yè)用22.9%，其它領域為20.1%。1994年-2000年年平均增長率在包裝方面為7.5%，無紡布方面為12.9%，農業(yè)用14.8%，其它領域17.3%。由此可見生物降解材料在當前社會被廣泛運用是順應社會發(fā)展的必然選擇。在2008年，北京成功舉辦了令全球矚目的第29屆奧運會，北京奧運會提出了綠色奧運的理念。在2008北京奧運會上，“鳥巢”、“水立方”等一批奧運標志性場館已成為綠色北京的象征和節(jié)能環(huán)保的樣板，其中，生物降解膜被廣泛的用于各種包裝材料與裝飾材料。其環(huán)保性能不疑為其被應用的一大亮點。在我們所說的生物降解材料其實是指一類由自然界存在的微生物如細菌、霉菌（真菌）和藻類的作用而引起降解的材料。理想的生物降解材料是一種具有優(yōu)良的使用性能、廢棄后可被環(huán)境微生物完全分解、最終被無機化而成為自然界中碳素循環(huán)的一個組成部分的高分子材料?！凹垺笔且环N典型的生物降解材料，而“合成材料”則是典型的高分子材料。因此，生物降解材料是兼有“紙”和“合成材料”這兩種材料性質的高分子材料。生物降解又可分為完全生物降解和破壞性生物降解兩種。破壞性生物降解材料：破壞性生物降解材料當前主要包括淀粉改性（或填充）聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚氯乙烯PVC、聚苯乙烯PS等。完全生物降解材料：完全生物降解材料主要是由天然高分子（如淀粉、纖維素、甲殼質）或農副產品經微生物發(fā)酵或合成具有生物降解性的高分子制得，如熱塑性淀粉材料、脂肪族聚酯、聚乳酸、淀粉/聚乙烯醇等均屬這類材料。[1]根據不同用途及環(huán)境條件，進一步深化研究，并通過分子設計研究改進配方、開發(fā)準時可控性環(huán)境降解塑料已成為許多國家的重點攻關課題。經綜合各種文獻資料進行歸納，大體上可預測降解塑料今后的研究與開發(fā)趨向[]：積極研究開發(fā)高效價廉光敏劑等，進一步提高可控性、快速降解性和完全降解性。有利于一次性塑料廢棄物的處理，同時保證獲得豐富的原料來源，以天然高分子、微生物合成高分子和具有生物降解性的合成高分子為原料，開發(fā)完全生物降解塑料愈來愈受到重視。水解性塑料和可食性材料，由于具有特殊的功能和用途而受到世界矚目，從而成為環(huán)境適性材料的又一熱點。為加速降解塑料的發(fā)展，各國正致力于加速研究和建立統一的降解塑料的定義、降解機理、評價方法和標準。探索及培育能降解普通塑料的菌株，使目前廣泛使用的普通塑料用后具有易降解性，以適應環(huán)保要求；同時十分重視培育可生產聚酯的生物性植物等，以降低生物降解塑料的成本，有利于推廣應用。另外，四川聯合大學黃旭東等對生物可降解塑料的研究，在材料合成與加工兩個方面作了如下展望：其一，材料合成采用微生物合成方法制取生物降解高聚物，如建立一些新的模式與概念，利用微生物的發(fā)酵獲得具有新結構的聚合物；可回收農業(yè)原料，發(fā)展高效的制備細菌聚合物的途徑；使用酶催化聚合物合成新材料；使用酶的立體選擇性單體，在酶的作用下進行生物高聚物的合成和改性。采用有機合成方法制備生物降解高聚物，如合成結構上類似于天然聚合物的高聚物，建立聚合物結構、形態(tài)、生物降解性能之間的關系；將內酯、環(huán)氧化合物、環(huán)狀碳酸鹽、酐等進行開環(huán)聚合，獲得新的生物降解高聚物；對多糖進行改性獲得新的可降解加工材料。其二，加工與共混開發(fā)新技術，制得生物高聚物的衍生物；采用反應性加工方法，獲得多糖和可降解聚酯等新的生物降解材料；發(fā)展共擠出技術，擴大憎水性聚合物的應用；確立共混組成，使性能、生物降解性及生產成本最優(yōu)；將可降解增塑劑與生物降解聚合物共混，改善后者的加工性能，獲得可降解共混材料；將可降解增塑劑、填料和多糖與可降解聚酯共混，改善加工性能并降低成本；研究共混比、相容性、形態(tài)等對生物降解共混物的動力學與物理、化學性能的影響[13]。TiO2光催化生物降解膜的研究自20世紀70年代，日本東京大學的藤島昭教授首次發(fā)現納米TiO2的光催化特性以來[2]，納米TiO2受到了國內外有關人士的廣泛研究，并得以在許多方面應用，由于它的高效催化效應在光催化降解污染物、殺菌除臭、廢水處理和凈化大氣等方面的優(yōu)勢，納米TiO2更成為人們關注的焦點。國外從20世紀80年代中期開始，國內從20世紀9O年代開始，在這方面的實驗室研究工作已取得多項成果。國外(尤其是日本)在這方面取得了較為顯著的進展，日本有不少企業(yè)開發(fā)出了光催化涂料并實現了商品生產。KawabataK通過研究TiO2納米生物降解薄膜的降解性能發(fā)現TiO2納米生物降解薄膜是一種具有發(fā)展前景、容易制備、利用太陽光中的紫外線就可以降解污染物的薄膜[3]。而在國內研究了利用TiO2制備耐沾污性涂料[4]、具有抗菌功能的涂料[5]、凈化大氣環(huán)保涂料[6]等，取得了一定的進展，并且有具體的應用實例[7]。有人在路燈表面分別涂覆含有TiO2的膜料和不含TiO2的普通膜料，經一段時間觀察后發(fā)現，含有納米TiO2的部分依然清潔如新，而普通膜料的表面已嚴重沾污，變成黑色。由此可見，利用含有TiO2的膜料作為材料內的添增劑時，不但使材料具有凈化空氣、殺菌、除臭的功能，還可以使材料具有自清洗、保潔功能，節(jié)省了大量的人力、物力，使各種設施長時間保持整潔如新。通過研究了解納米TiO2的結構特點，發(fā)現與金屬粒子具有連續(xù)的能帶結構不同，半導體粒子納米TiO2具有能帶結構，一般由填滿電子的低能價(valenceband，VB)和空的高能導帶(conductionband，CB)構成，價帶和導帶之間存在禁帶。當用能量等于或大于TiO2禁帶寬帶的光照射TiO2時，TiO2半導體內的電子就會被激發(fā)從價帶躍遷到導帶，在價帶形成空穴，導帶的電子是良好的還原劑，電子能和表面吸附的氧分子反應生成超氧離子自由基(·O22-)；而價帶的空穴是良好的氧化劑，有強的得電子能力，能夠和表面吸附的H2O或OH-反應形成具有強氧化性的羥基自由基(·OH)，由于生成的自由基具有很強的氧化分解能力，可破壞有機物中的C-C鍵、C-H鍵、C-N鍵、C-O鍵、O-H鍵和N-H鍵，從而具有光催化降解涂層表面有害污染物。[8]由于納米TiO2粒子的能帶是不連續(xù)的，使得光生電子一空穴對有時間(其壽命一般為皮秒級)經由禁帶向吸附在納米TiO2表面的環(huán)境中的外來物種轉移電荷，空穴可奪取納米TiO2粒子表面吸附物質或溶劑中的電子而使其活化氧化，電子受體(在含有空氣的水溶液中通常是氧)由于得到電子而被還原，均生成強氧化性自由基，進而發(fā)生氧化反應。與電子相比，光生空穴具有更大的反應活性。反應機理方程式為：H2O+h+→·OH+H+OH-+h+→·OHO2+e-→·02-H20+·O2-→·OOH+OH-2·OOH→O2+H2O2·OOH+H20+e-→H2O2+OH-H202+e-→·OH+OH-[9]在高能量光量子激發(fā)下進行躍遷的電子的存在狀態(tài)對電子的躍遷幾率影響很大。光催化反應中生成的e-／h+從吸附分子流向催化劑。對于e-／h+來說，其遷移速率和幾率取決于最低能級導帶和最高能級價帶的位置以及吸附物質的氧化還原電位。在熱力學上，光催化反應能夠進行的條件是：受體電勢低于半導體導帶電勢，供體電勢高于半導體價帶電勢[10]。納米TiO2光催化劑從光催化機理上分析，一方面，物質的降解速度必然與光生載流子電子和空穴的濃度有關。而納米級的TiO2隨著粒徑的減小，表面原子迅速增加，光吸收效率提高，從而增加表面光生載流子的濃度；另一方面催化反應的速率與物質在催化劑上的吸附量有關，隨著晶粒尺寸的減小，比表面增大，表面鍵態(tài)和電子態(tài)與顆粒內部不同，表面原子的配位不全導致表面活性位置增多，因而與大粒徑的同種材料相比，納米材料活性更高，有利于反應物的吸附，從而增大反應幾率[11]。納米TiO2生物降解膜的光催化研究：此次研究主要為了解決由于日常生產中中的包裝材料，建筑材料，農業(yè)生產塑料膜中，由于受到各種污物的污染，尤其是油性有機污染物粘附在薄膜上，不易被水沖洗干凈。而通過光催化實驗去研究TiO2具有明顯的光催化性，而且使加入TiO2的膜穩(wěn)定性能良好能催化污染物分解。使光催化的材料具有明顯的自清潔作用，改善材料的去污性能，提高添加材料的附加價值。另外為了達到納米生物降解膜的實際應用和普遍推廣，還需在以下方面取得突破：①通過應用表面技術和材料合成技術，對催化劑進行表面修飾與改進，大幅提高并維持其催化活性，是今后的研究熱點之一；②研究催化劑的防毒與再生技術，盡可能地延長催化劑的壽命并能通過較為簡單的方法達到催化劑的再生和重復使用；③以往的研究多集中在對單一組分的降解，但納米薄膜的污物污染通常有多種組分，因此開發(fā)對多組分污染物都有高降解率的催化劑將是很有實用價值的；④開發(fā)多功能光催化劑。TiO2光催化劑具除污、抗菌、消毒、防霧、自潔等功能，因此研制集多種功能于一身的光催化劑并拓寬其應用領域將是很有前途的一個方向；⑤研究利用日光作為光催化的光源。太陽光譜中波長在300-387nm之間的能量有1%，而且利用太陽能清潔、經濟，因此利用太陽能是可行的[12]。課題所要研究的內容及實施方案初步了解光催化的原理。研究納米TiO2生物降解膜的性能。納米TiO2生物降解膜的拉伸性能。掌握納米TiO2生物降解膜在生物降解方面的作用機理。實驗步驟制定納米TiO2生物降解膜含量。含納米TiO2生物降解膜的制備。含納米TiO2生物降解膜的性能測定 納米TiO2生物降解膜拉伸性能測定按照國家標準GB-13022（塑料薄膜拉伸性能試驗方法）進行測定。納米TiO2生物降解膜老化實驗與測定參考文獻[1]梁惠剛，汪華方．氟碳涂料的應用和發(fā)展前景．中國科學院武漢文獻情報中心．2009，NO.6．[2]倪玉德．含氟聚合物及含氟涂料[J]．現代涂料與涂裝，2000，3(4)：29—3．[3]KawabataK．YoshimatsuH，eta1．PropertiesandcatalyticactivityofNOxreductionofalumina—titaniacatalyticpreparedbysol·gelmethod[J]．JournalofMaterialsScience．1999，34(11)：2529—2534．[4]徐瑞芬，許秀艷，付國柱．納米TiO2在涂料中的抗菌性能研究[J]．北京化工大學學報(自然科學版)，2002，29(5)：45-48．[5]邱星林，徐安武．納米級TiO2光催化凈化大氣的環(huán)保