完全生物降解塑料

簡介自從高分子材料問世以來，隨著石油工業(yè)的迅速發(fā)展以及社會生產(chǎn)力的提高，塑料產(chǎn)品被越來越多的應用到生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域，成為社會生產(chǎn)生活不可或缺的重要材料資源。然而，傳統(tǒng)意義的高分子材料具有穩(wěn)定性好、耐化學性、耐腐蝕性等特點，在自然環(huán)境下不易降解。由此而生的就是這些難降解塑料帶來的環(huán)境污染問題。這一社會問題延展開來對自然資源與環(huán)境的影響非常廣泛，與眾多社會問題都有著或多或少的關(guān)聯(lián)。譬如：塑料制品的難以回收利用導致了石油資源的浪費，不可降解一次性塑料制品帶來的“白色污染”，焚燒，填埋塑料制品帶來的大氣污染與土壤污染等等。自然環(huán)境條件下生物降解塑料碳鏈更加容易斷裂，使其易于分解為小分子聚合物，最后降解成二氧化碳和水。相對于普通聚合物塑料，可生物降解塑料的降解條件要求更低，且特定條件下可控。因此，生物降解塑料獲得廣大研究者的密切關(guān)注與國家的大力支持。生物降解塑料的發(fā)展不僅順應國家“限塑令”政策的實施，同時，符合我國“可持續(xù)發(fā)展”、“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念。完全降解生物塑料的種類及其發(fā)展狀況完全生物降解塑料是指具有生物降解性且使用后能在自然條件下被微生物完全降解，最后分解成水和二氧化碳的生物高分子材料(如PHA、PHB、PCL等)，由于其原料來源廣泛且最終降解產(chǎn)物對環(huán)境沒有污染，所以降解塑料又被稱做“綠色塑料”?？山到馑芰隙喾N多樣，依據(jù)原料的組成和制備方法[1]完全生物降解塑料分為微生物合成降解塑料、化學合成降解塑料和天然高分子共混降解塑料。最近幾年由于技術(shù)進步與國家的支持生物塑料得到較快發(fā)展，國內(nèi)外眾多生物降解塑料項目不斷崛起，生物塑料走進千家萬戶將指日可待。

1.1微生物合成降解塑料微生物發(fā)酵法合成可降解塑料是指利用特定微生物把原料有機物作為食物，通過發(fā)酵作用合成高分子塑料。微生物合成高分子材料主要有微生物聚酯和微生物多糖，其中典型的聚羥基鏈烷酸(酯)(PHA)經(jīng)微生物發(fā)酵法，微生物通過將葡萄糖等碳水化合物發(fā)酵制備PHA。PHA分子式：其中，R為正烷基側(cè)鏈，范圍從甲基至壬基，n約為700~12000，PHA材料因分子鏈中R基團、共聚單體、鏈的長短而異，分為不同的PHA。比如當R為甲基時，聚合物被稱為聚β-羥丁酸(PHB)，當R基為乙基時，則稱聚合物為PHV。目前，合成PHA的方法有很多，主要有[3]酶裂解法、有機溶劑萃取法、次氯酸鈉分解法等。基于經(jīng)濟性的原因通常多選取葡萄糖和蔗糖作為PHA合成最常用的碳源，一般由植物油或脂肪酸合成PHA。1.2化學合成降解塑料利用化學法合成高分子生物降解塑料工藝多樣化，可實現(xiàn)工業(yè)化，具有較高的研究價值。通過化學合成法生產(chǎn)高分子材料相比于其他方法具有靈活性與創(chuàng)新性等優(yōu)點，通過研究天然高分子材料分子結(jié)構(gòu)及官能團，采用化學合成法合成具有相似結(jié)構(gòu)與官能團的高分子，使合成的高分子材料具有可降解性。通過化學法合成的聚合物主鏈上含有C-N，C-O等雜鏈使高分子易于生物降解。1.2.1聚丁二酸丁二醇酯(PBS)聚丁二酸丁二醇酯(PBS)自90年代進入材料研究領(lǐng)域以來，迅速成為生物降解塑料的研究熱點之一。PBS是通過脂肪族二元酸、二元醇化學聚合而成，具有優(yōu)異的力學性能、耐熱性能和較高的熱變形溫度，其合成原料脂肪族二元酸不僅可以通過石油化工路線生產(chǎn)，也可通過可再生農(nóng)作物發(fā)酵生產(chǎn)。以1,4-丁二醇和琥珀酸酐為原料，通過開環(huán)聚合反應合成了可生物降解的聚丁二酸丁二酯(PBS)。在原位紅外光譜試驗和一些文獻的基礎(chǔ)上，建立了開環(huán)聚合合成的PBS的酯化動力學模型，并獲得了基本參數(shù)，為將來的工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。1.2.2聚乳酸(PLA)

PLA是由可再生植物資源為起始原料經(jīng)發(fā)醇生成乳酸，然后再進一步聚合而成的新型聚酯材料，性能比聚乙烯、聚丙烯等材料要優(yōu)越。PLA的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熔點較低，明顯低于滌綸等材料；熱穩(wěn)定性好，有較好的抗溶劑性，加工方法多種多樣。以PLA為原料制成的產(chǎn)品性能優(yōu)異，除能生物降解外，具有良好的生物相容性，光澤度高、耐熱性好并兼具透明性。另外，PLA還具有一定的耐菌性，阻燃性和抗紫外的能力，因此可用于醫(yī)用繃帶、一次性手術(shù)衣、醫(yī)療固定裝置、室外裝置物等方面，可謂用途十分廣泛[9]。合成工藝大概可以分為:間接合成二步法、直接合成一步法。(1)間接合成二步法：該法以乳酸或乳酸酯為原料，經(jīng)脫水二聚合成丙交酯，丙交酯再開環(huán)聚合，2步制得PLA。此方法工藝成熟，易控制。缺點是流程長、操作復雜、生產(chǎn)成本高。(2)直接縮聚法：該方法是通過乳酸分子間脫水、酯化、逐步縮聚成聚乳酸。其缺點是在反應后期，聚合物可能會降解成丙交酯，從而限制PLA相對分子量的提高。近年來，國內(nèi)聚乳酸項目不斷出新。1.3天然高分子共混降解塑料(淀粉基塑料)

天然高分子共混降解塑料是由淀粉、蛋白質(zhì)、甲殼質(zhì)、纖維素等天然高分子共混制備而成，原料來源十分豐富且由于大多數(shù)材料是生物質(zhì)廢棄物，所以成本較其他材料低，再加上天然高分子材料在自然環(huán)境下容易被微生物降解，而且最終分解產(chǎn)物為二氧化碳和水，對環(huán)境沒有污染，因而日益受到科學研究人員及國家的重視。其中淀粉便是當今應用最為廣泛的原料之一，它可由玉米、木薯、馬鈴薯等眾多植物中獲得，來源十分廣泛，產(chǎn)量較高，價格低廉且由淀粉合成的高分子材料具有可降解塑料的一切性質(zhì)。所以近年來，淀粉基降解塑料成為國內(nèi)外研究開發(fā)最多的、應用最廣的一類生物降解塑料。它的合成、改性方法也十分簡單，可以通過與其它高分子共混或者與單體共聚的方式得到淀粉基降解塑料，是一類兼具經(jīng)濟效益與社會效益的高分子材料降解塑料存在的問題及其未來發(fā)展方向2.1發(fā)展問題雖然就目前的發(fā)展趨勢來看，可降解塑料具有十分光明的發(fā)展前景。但同時也面臨著巨大的挑戰(zhàn)?？山到馑芰显趶V泛應用于生產(chǎn)生活的道路上還存在著眾多亟待解決的問題。

2.1.1經(jīng)濟效益問題由于技術(shù)不夠成熟，工藝流程較為復雜，目前生產(chǎn)工藝所需成本較高。相對于傳統(tǒng)石油基塑料而言價格要高幾倍，因此，即使在國家強力的號召下推行“限塑令”的情況下。生物可降解塑料的推行仍會面臨較大的阻礙。

2.1.2產(chǎn)品性能問題相對于石油基塑料，生物可降解塑料面臨著各項性能較差的問題。這就導致了其應用范圍較窄，雖然可以部分代替石油基塑料的應用但是并沒有從根本上解決現(xiàn)在所面臨的資源短缺、污染嚴重等社會問題。2.1.3降解問題生物降解塑料的降解需要特定的微生物環(huán)境，因此對其回收處理及降解后如何堆肥也是需要考慮的一個重要問題。如何控制降解條件，降解速率以及降解場地等問題逐漸變得重要起來。

2.1.4原料來源問題因為生物降解塑料的原料來源于生物資源，那么未來對于生物基資源的需求會大幅上升。那么對于當前世界所有的耕地面是否可以滿足人類對原材料的需求，是否能在糧食的食用與工業(yè)化應用中間找到合理的平衡點等等都是生物降解塑料發(fā)展所面臨的問題。

2.2發(fā)展方向針對上述可能出現(xiàn)的諸多問題。首先，我們應當解決的是原料的來源問題。依據(jù)現(xiàn)有的研究進展，繼續(xù)著手研發(fā)利用更多更廣泛的生物資源去合成可降解塑料，例如：廢棄秸稈、甲殼素等；其次，繼續(xù)深入研究，優(yōu)化現(xiàn)有生產(chǎn)工藝，及生產(chǎn)流程，降低生產(chǎn)成本，使生物降解塑料能夠大范圍投入使用，使產(chǎn)品普遍化、大眾化；最后，為了更加廣泛的應用，提高材料的性能也顯得尤為重要，無論是材料的復合還是材料的改性相信在未來的發(fā)展中必將占據(jù)很重要的地位。結(jié)束語在國家大力推廣生物降解塑料產(chǎn)品的情況下，由于生物降解塑料具有獨特的生物可降解性，對環(huán)境無污染，是可持續(xù)發(fā)展的綠色資源，生物塑料的前途無疑是