可降解材料及其應用

單怡然

摘 要：可降解材料因傳統(tǒng)的塑料材料的對環(huán)境造成污染的缺陷而誕生，可降解材料在完成使命后能進行自我分解，回歸大自然?？山到獠牧峡煞譃楣饨到獠牧?、生物降解材料以及其他降解材料三類，重點敘述了這三種分類的材料的作用原理及其性能，介紹了可降解材料存在的缺點及改進方向。

關鍵詞：可降解材料；光降解材料；生物降解材料

中圖分類號：TQ464 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）07-0210-02

由于傳統(tǒng)塑料材料的機械強度與韌性優(yōu)良，傳統(tǒng)塑料材料被廣泛應用于包裝材料，但是對石油基材料的過度使用，導致一次性消耗的自然資源過多，這使環(huán)境惡化。處理石油基包裝材料的主要方法——填埋、焚燒造成了對居民的困擾。隨著人們環(huán)保意識的不斷加強，可降解材料應運而生，針對資源短缺、環(huán)境污染的問題，可降解材料的特點是原料綠色無污染，降解之后的產(chǎn)物對環(huán)境影響污染較小，甚至無污染。

1 可降解材料的概述

可降解材料是在生產(chǎn)過程中加入添加劑，使其本身在一定時間內(nèi)能維持普通塑料的正常功能，超過一定時間或被廢棄后，在光或微生物或其他因素的作用下，進行自身降解而后消失的材料?？山到獠牧峡梢詼p少一次性的難降解塑料在焚燒時對環(huán)境造成的危害，緩解填埋一次性難降解材料造成的人地矛盾?？山到獠牧蠌慕到夥绞竭M行分類，可以分為光降解材料、生物降解材料以及其他降解材料。

1.1 光降解材料

光降解材料是一類添加光敏劑或引入特殊鍵的光敏基團，在太陽光的參與下，自身能進行對自身結構進行破壞的材料。

一類光降解材料的作用原理是聚合物在吸收太陽光后，光增敏基團被激活，使聚合物產(chǎn)生有雙鍵等易于被降解的雜質，進一步發(fā)生氧化反應，最后降解為二氧化碳和水。例如：將一氧化碳為光敏單體與烯烴類單體聚合得到的如含有羰基結構的聚乙烯、聚氯乙烯等的光降解聚合物與同類樹脂混合，可得到一種光降解材料；另一類光降解材料的原理是聚合物在生產(chǎn)時加入少量光敏劑，光敏劑在光照的條件下，促使聚合物產(chǎn)生自由基，加快自身的降解速率。光敏劑具有在光降解材料使用期內(nèi)抗氧化的作用且能幫助維持光降解材料的正常使用，但在光降解材料使用期過后，又能促進其吸收光能進行自我分解的雙重作用。含有光敏劑的光降解材料可分為含有過度的金屬化合物如金屬氧化物、有機金屬化合物等的光降解材料和含有如蒽醌、嵌二萘等具有敏化烯烴塑料的多環(huán)芳香族碳氫化合物的光降解材料。

影響光降解的因素有聚合物結構（如含有羰基等）、光敏劑的添加、光波長、大氣條件。光降解材料的缺陷有：第一，光降解的引發(fā)劑大多是對人體有害，因此不能應用于食品級，醫(yī)療級塑料；第二，大部分光降解材料不能被完全降解，這可能使其對環(huán)境的危害更大，第三，光降解材料應用范圍較狹窄（地域狹窄），但可大面積應用于農(nóng)田。

1.2 生物降解材料

由于光降解材料的局限，以及廣泛的生物來源，目前的研究熱點更多地放在生物降解材料上，相對于光降解材料，生物降解材料的原料來源更加綠色，降解的產(chǎn)物對環(huán)境的污染性也更加小。生物可降解材料是一類在酶或微生物的作用下，使維持自身結構的分子鏈逐漸斷裂，形成對環(huán)境無害的小分子化合物的材料。

生物降解的方式有生物的物理、化學作用和酶的直接作用。根據(jù)來源的不同可以分為微生物降解型的生物材料、合成高分子型的生物降解材料、天然高分子型的生物降解材料。微生物降解材料是以有機物為碳源，微生物進行發(fā)酵轉化為高分子聚酯，利用這種高分子聚酯制作為塑料的材料。合成高分子型的生物降解材料是利用化學方法合成在自然界中與原本存在的利于降解的高分子化合物。天然高分子型的生物降解材料是在合成時以淀粉、纖維素、木質素等多糖化合物為原料，在必要的條件下加入生物降解添加劑或經(jīng)氧化、改性而加工制成的塑料。其中，淀粉基構成的可降解材料和PLA構成的可降解材料是當今研究的熱點，PHB作為可降解材料也有較為廣泛的應用。

淀粉通過植物光合作用而形成的，易得，降解后仍以二氧化碳和水的形式回歸到生態(tài)環(huán)境中，是完全無污染的非常優(yōu)良的生物降解材料。針對淀粉作為原料來源的淀粉基塑料是目前可降解材料領域研究的一大熱點。淀粉基塑料研究的階段主要有三個：第一階段是少量淀粉加入到傳統(tǒng)塑料中來達到可降解的目的；第二階段是增加淀粉含量和淀粉與其中組分的連接；第三階段是將淀粉經(jīng)過處理，形成完全由淀粉組成的塑料。對淀粉進行改性，使其能夠進行生物降解或能溶于水是研究的熱點話題，如PVA與淀粉的混合物的研發(fā)。淀粉基塑料還有需降低成本、提高機械強度，以及提高給降解材料的降解周期控制等研究空間存在。目前研究最為成功的是將淀粉和高分子材料進行共混得到性能良好的可降解材料。

PLA（聚乳酸）是多糖經(jīng)過降解發(fā)酵制得、純化、聚合而成的環(huán)境友好型樹脂。PLA是由乳酸分子在一定條件下脫水縮合而成。PLA在土壤掩埋條件下，在溫度、氧氣、弱堿性的共同作用下，6～12個月降解為乳酸，最終經(jīng)微生物代謝，形成二氧化碳和水。PLA因其優(yōu)良的生物相容性和機械強度，被廣泛應用于新興功能型醫(yī)用高分子材料如醫(yī)用手術縫合線、骨科用固定材料等。

PHB（聚β-羥基丁酸酯）是細菌體內(nèi)碳源和能源的以顆粒狀儲存的酯類積累物。PHB對氣體有阻擋性，能用于未添加抗氧化劑的食品的包裝袋；PHB有良好的生物相容性，可用于手術縫合線、骨折固定材料；因PHB能夠降解，可用于與農(nóng)藥或貴重藥品的包埋處理。因為PHB用細菌發(fā)酵法進行生產(chǎn)，所以PHB的生產(chǎn)重點放在基因工程等技術。針對其易結晶、較脆、降解速度較慢的缺點，如何通過物理或化學的方法改善PHB的性能成為研究的重點對象。

1.3 其他降解材料

PVA（聚乙烯醇）因具有可控性——控制其醇解度和聚合度來把握PVA的溶解時間，成膜性、物理強度好——完全可以滿足制做塑料的條件、毒性低、可達到100%降解、降解產(chǎn)物對環(huán)境無危害等優(yōu)點，成為能夠替代當今塑料的重點材料。PVA的原材料，PVA樹脂分子鏈上的醋酸乙烯酯基體積較大，該基團的存在使得分子鏈上的羥基之間不易形成氫鍵，也一定程度上阻止了大分子之間的相互靠近，而PVA分子鏈上的羥基能和水分子之間形成氫鍵，這使PVA具有良好的水溶性，優(yōu)異的水溶性有利于材料的降解。但是，單一的PVA材料機械強度難以滿足使用要求。目前，淀粉/PVA共混體系能夠滿足塑料的正常使用，但是隨著時間的加長，其力學性能下降得很快，說明其基本能滿足可降解材料的條件。若要提高淀粉/PVA的耐水性，則可對淀粉/PVA共混體系進行甲基化改性、交聯(lián)處理、加入納米二氧化硅或加入檸檬酸和石油砂。但是PVA的生產(chǎn)工藝主要為流延法——首先將原料組分配好，后和水流延涂布到不銹鋼輥上，再進行刮、剝離、收卷等工藝，因此，存在效率低和費用大的缺陷。PVA還需解決如何使高溫水溶膜遇低溫水完全不溶以及均勻及透明等問題。

光/生物雙降解是一類加入一定量的光敏劑、促氧化劑等的在光和生物的共同作用下進行降解的聚烯烴材料。第一，有研究表明，生物降解以光降解為基礎，對此，因其現(xiàn)已用于地膜、餐盒，這表現(xiàn)出了這種兼具兩種降解方式的的技術先進性和實效性；第二，光/生物雙降解材料降解較快，約60天能被完全降解。

2 發(fā)展前景及展望

大部分的可降解材料存在機械強度較小和韌性較弱以及降解的控制性較弱的缺點，因此，第一，可以多開發(fā)復合型可降解塑料，避免了單一原料造成的力學性能缺陷著重點放在開發(fā)應用范圍廣，原料易得、價格低廉的產(chǎn)品；第二，簡化生產(chǎn)工藝擴大生產(chǎn)來促進可降解材料為我們實際生活所用。

3 結語

隨著人們環(huán)保意識的增強和科技的飛速發(fā)展，可降解材料逐步取代石油基材料是必然趨勢，如何充分發(fā)揮可降解材料的融傳統(tǒng)包裝材料的功能和特性和可降解，回歸大自然的優(yōu)點，成為各國研發(fā)的重點。

參考文獻

[1]汪秀麗，張玉榮，王玉忠.淀粉基高分子材料的研究進展[J].高分子學報，2011（1）：24-37.

[2]劉林，王凱麗，譚海湖，等.中國綠色包裝材料研究與應用現(xiàn)狀[J].包裝工程， 2016，37（5）：24-30.

[3]王小東，李明玲，萬新軍，等.聚乳酸材料的國內(nèi)外最新研究進展[J].化工新型材料，2012，40（9）：4-6.