生物降解高分子材料分析及應(yīng)用研究

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

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生物降解高分子材料分析及應(yīng)用研究

李延壘（河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)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(yīng)用進展。

關(guān)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(xué)反應(yīng)，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?？茖W(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(lǐng)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(xué)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(yīng)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(yīng)用于日常生活當中。隨著人們生活質(zhì)量的提高，相應(yīng)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(guān)分析，生物降解材料主要在以下幾個領(lǐng)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(yīng)用

據(jù)日本有關(guān)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(guān)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(lǐng)域的應(yīng)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(yīng)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?；谶@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(yīng)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(guān)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(xué)領(lǐng)域的應(yīng)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(yīng)用，其中每種材料的性質(zhì)也有非常大的差別。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(fù)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(yīng)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(shù)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