生物基聚合物PHBV和PLA復(fù)合材料在不同介質(zhì)中的生物降解及其影響因素

陳海燕,吳豐昌*,魏 源**,Andrea Corti,Emo Chiellini,白英臣,馮偉瑩,張 琛 (.中國環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室,北京 000；.意大利比薩大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,意大利比薩大學(xué)生物實驗室,比薩56)

生物基聚合物因其成本低、便于使用和良好的物理化學(xué)強度及穩(wěn)定性,使其在工業(yè)生產(chǎn)中和消費市場上都成為首選的包裝材料,近幾十年,市場需求和消費產(chǎn)量已經(jīng)達到了每年3億t,并呈持續(xù)增長的態(tài)勢,其中聚烯烴在這些塑料產(chǎn)品中使用最為廣泛,正以每年2500萬t的速度在環(huán)境中累積[1-2].但這種依靠傳統(tǒng)石油行業(yè)加工成的塑料對不可再生的石油資源持續(xù)利用與開發(fā)不僅意味著石油儲量的快速枯竭從而導(dǎo)致原材料開發(fā)成本大幅度增加,同時大量不易降解的石油基產(chǎn)品廢料正以驚人的速度進入生態(tài)系統(tǒng),給環(huán)境帶來了前所未有的壓力[3-4].隨著可降解性材料各種用途的擴展,降解材料的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計與降解速度的關(guān)系成為可生物降解材料研究的重要課題[5].

在眾多生物可降解材料中,采用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)的多聚 β-羥基烷酸酯(PHBV)正成為關(guān)注焦點,PHBV本是作為細(xì)胞內(nèi)同化作用的初級產(chǎn)物,是微生物遇到不適環(huán)境時在胞內(nèi)累積合成的一種脂類儲藏物質(zhì),可以作為胞內(nèi)營養(yǎng)和能量的儲存物質(zhì)參加細(xì)胞代謝[6-8],是一類利用可再生礦物燃料為原料,由微生物發(fā)酵而制得的生物聚酯[9],其降解產(chǎn)物可作為肥料在環(huán)境中循環(huán)利用,不僅具有傳統(tǒng)聚合材料的力學(xué)性能和易加工性,還具有可生物降解性、生物兼容性、壓電性、光學(xué)活性,其良好的機械性能比如楊氏模數(shù)性能,和抗張強度性能,都可以和傳統(tǒng)熱性塑料如聚乙烯和聚丙烯材料相比擬[10-11].

同時,實際應(yīng)用中,聚乳酸(PLA)也可以提供和石油化工熱塑性聚合物相比擬的物理和機械性能,可成為傳統(tǒng)塑料的替代品之一[12].但是目前針對PHBV和PLA產(chǎn)物熱分解和生物降解的化學(xué)分子過程和行為開展的較少,尤其對于加入添加劑后的機械性能,熱性能以及降解性的改良研究比較有限.因此,本文以PHBV以及PLA復(fù)合材料為研究對象,探討在不同環(huán)境介質(zhì)(固體媒介:土壤介質(zhì)和熟化堆肥,水體介質(zhì):河水水體)條件下以及不同添加劑(有機添加劑如木質(zhì)素,無機添加劑如蒙脫石(Dellite 72T),天然有機鏈增長劑(Joncryl))作用下的降解特征,為新型材料使用后的生物降解效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 聚(3-羥基-3-戊酸酯)(PHBV)PHBV 為白色粉末狀顆粒,由德國化學(xué)公司 BASF提供,分子量為450kDa,分散系數(shù)IP為1.5,熔點溫度是167℃,戊酸含量為 2mol%.因原料樣品中含有少量的 PHA,因而結(jié)構(gòu)式為PHBV和PHA的共聚物如圖1.

圖 1 Poly(3hydroxybutyrate–co–3-hydroxyvalerate) (PHBV)化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.1 Chemical Structure for Poly(3hydroxybutyrate–co–3-hydroxyvalerate) (PHBV)

1.1.2 聚乳酸(PLA) 聚乳酸為不透明顆粒物,由德國化學(xué)公司BASF提供,內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含的左旋單體結(jié)在1.2%～1.6%范圍,分子量低于160kDa,重量分子量和平均分子量的比值(Mw/Mn)為 2.31,化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖2.

圖2 (Polylactic acid)(PLA)化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.2 Chemical Structure for Polylactic acid (PHBV)

1.1.3 增鏈劑(Joncryl ADR-4368-CS)Joncryl ADR-4368-CS是應(yīng)用于食品包裝材料的聚合物增鏈劑,由德國化學(xué)公司BASF提供,粒徑呈白色的顆粒粉末狀,化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖3.

圖3 Joncryl ADR-4368C 化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.3 Joncryl ADR-4368C Chemical Structure

1.1.3 木質(zhì)素 木質(zhì)素從榛子殼中提取,榛子殼由意大利Ferrero S.p.A公司提供,經(jīng)Brabender Wiley研磨機碾磨成粉末,過篩濾后獲得直徑為39μm的顆粒,此粒徑在聚合物作為有機添加劑基體,含木質(zhì)纖維素45.5%,半纖維素9.5%,纖維素24.97%,可溶性物質(zhì) 9.9%,油脂蠟狀物以及巖質(zhì)物 2.47%,具有良好的離散度.

1.1.4 有機質(zhì)黏土(Dellite 72T) Dellite 72T由意大利Laviosa Mineraria S.p.A公司提供),是天然蒙脫石由四銨鹽純化改良得到的納米粘土白色粉末,可直接與復(fù)合材料混合,具有改善聚合物氧氣、二氧化碳以及水蒸氣等阻隔性能.

1.1.5 試劑和溶劑 實驗中分析純氫氧化鉀和氯化鋇,由意大利 CARLO ERBA 公司提供.分析純0.1N(mol/L)鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶劑,由意大利 J.T.Baker公司提供.

1.2 樣品制備

在密閉式混合內(nèi)膛(55cc)內(nèi),生物基聚合物(聚羥基丁酸-戊酸酯-PHBV,聚乳酸-PLA)與其他添加劑進行融化混合處理,在德國 Brabender粘土塑性測定系統(tǒng)中監(jiān)測.取30g PHBV基混合物樣品,頻率30rpm,170℃條件下混合攪拌7min,取40g PLA混合物樣品,頻率60r/min,180℃條件下攪拌混合7min.PHBV基聚合物和添加劑配比如表1.

表1 PHBV基有機/無機添加劑混合物配比Table 1 Composition of organic, inorganic and hybrid composites based on PHBV

表2 PLA基有機/無機添加劑混合物配比表Table 2 Composition of organic and hybrid composites based on PLA

1.3 實驗裝置和生物降解實驗

該方法利用微生物呼吸原理和化學(xué)測試中的滴定測試法,根據(jù)實驗中釋放出的二氧化碳量計算出混合物的降解度,使用方法具有科學(xué)、有效和可重復(fù)操作性.1.3.1 土壤填埋呼吸運動測定聚合物降解測試 該方法可用于測試具有低等或中等聚合性PHBV基混合材料在土壤中的生物降解特征[13].天然森林土壤(電導(dǎo)率 0.15dS m-1;pH 6.71;TN,0.16%;TOC,1.46%;持水容量(WHC)20.0%),由孔徑 1mm 的篩子去除植物殘根碎片,篩后土壤被用做降解質(zhì)基底,將10g土壤與15g珍珠巖材料,加15mL 0.1%的(NH4)2HPO4溶液均勻混合,將其加在混合了30mL蒸餾水的20g珍珠巖材料中間(珍珠巖蓄水層分為上下兩層),共同置于750mL生物計量燒瓶中,將PHBV基復(fù)合材料放在系統(tǒng)中進行呼吸測試,樣品粒徑小于 2mm.實驗裝置如圖4.

圖4 生物降解實驗裝置(呼吸運動測試裝置)Fig.4 Biodegradation experimental setup (respirometric apparatus)

1.3.2 熟化堆肥呼吸測試 此方法用于測試有著緩慢生物降解性能的聚合物材料在堆肥中的生物降解性能[14].實驗裝置如圖5,在容量為750mL的生物計量燒瓶中進行.有機固體廢物(如:樹葉木料等)構(gòu)成的熟化堆肥,由 1mm 孔徑篩子篩濾,降解基底和土壤呼吸裝置類似,以濾紙(纖維素)作為參比樣.

圖5 熟化堆肥生物降解裝置(用于篩選樣品的觀測)Fig.5 Biodegradation setup for compost tests (for screening purpose)

本實驗所選PHBV和PLA基復(fù)合材料樣品組成和成分配比如下:PHBV/PLA,PHBV/PLA-J0.2, PHBV/PLA-J5, PHBV/PLA-LN20, PHBV/PLA- LN20-J5(配比詳細(xì)參見表1～2).

1.3.3 河水呼吸性測試實驗 本測試遵從 OECD 301標(biāo)準(zhǔn)方法在300mL錐形瓶中進行,裝置中用硅膠瓶塞懸掛著40mL溶劑的塑料小管,盛放KOH溶液用以吸收CO2(圖6).每個錐形瓶有 100mL鹽溶液作為降解介質(zhì)(溶液配比為每升中含有 KH2PO485mg,K2HPO4218mg, Na2HPO4334mg, (NH4)2SO410mg,NH4NO310mg, CaCl236mg, MgSO4·7H2O 23mg, and FeCl·6H2O 0.3mg, pH 7.4±0.2).

圖6 水介質(zhì)生物降解測試示意Fig.6 Schematic representation of aqueous medium biodegradation tests

圖7 (a) PHBV/Lignin 復(fù)合材料礦化速率趨勢圖;(b) PHBV/Lignin/Joncryl混合物礦化速率趨勢;(c) PHBV/Inorganic/Organic添加劑礦化速率趨勢;(d) PHBV/Lignin/Joncryl/Dellite混合物礦化速率Fig.7 (a) Mineralization trend for PHBV/lignin composites;(b) PHBV/lignin/Joncryl blends; (c)PHBV/inorganic/organic filler composites;(d)PHBV/inorganic/organic filler/joncryl composites

1.3.4 透氣性測試中二氧化碳量測試和生物降解度的計算 呼吸性測試中生物降解度的評估是基于對培養(yǎng)器中CO2量的測定.密閉容器中CO2產(chǎn)生過程可評估微生物同化吸收性能,每個裝置中承載40mL,0.05N(mol/L)KOH 溶液,以酚酞為指示劑,吸收溶液被0.1N(mol/L)HCl以平均相隔的時間段進行反滴定,滴定溶液中加入0.5N(mol/L)的BaCl2溶液,使鋇離子以碳酸鋇沉淀完成滴定.隨后,整個系統(tǒng)用新配的 KOH溶液快速裝進便于下次測量.循環(huán)此過程直至生物降解實驗結(jié)束.該實驗是根據(jù)礦化作用釋放出的 CO2的量和樣品中總有機碳的量推算出的理論二氧化碳(ThCO2)值之比得出樣品的生物降解速率.

式中:CS為樣品中碳的含量;TOCS為樣品中總有機碳量;WS為樣品重量.

式中:(CO2)S為樣品二氧化碳量;(CO2)B為空白樣礦化量;[(CO2)S-CO2]B]為樣品礦化量.

2 結(jié)果與討論

2.1 PHBV基質(zhì)混合物在土壤介質(zhì)中的生物降解

在土壤填埋降解測試中,許多PHBV基質(zhì)復(fù)合材料生物降解動力學(xué)行為和純PHBV樣品的生物降解性能做比照,目的是研究復(fù)合材料中的添加劑和填充物在生物降解中的作用.

在 12個月的降解期中,受測樣品和參比樣(纖維素)的生物降解曲線如圖7.結(jié)果表明木質(zhì)素添加劑可以有效的增加生物降解的速率,結(jié)果中以PHBVLN20為例,此共聚物的礦化速率在受測期間達到 90%,然而純 PHBV樣品在相同時間內(nèi)未達到完全降解的70% (圖 7a),圖 7c為添加有機和無機添加劑(Dellite 72T)復(fù)合材料的比較效果.此外,在以10%和20%的份量添加了木質(zhì)素的兩種PHBV復(fù)合材料生物降解趨勢較相近,說明這兩種聚合物中的加注成分對生物降解沒有明顯的影響.另外,在其他添加了有機或者無機添加劑的復(fù)合材料中,只有添加了鏈增長劑的聚合物會顯著降低生物降解的礦化速率,如圖7a,b,c.

生物降解行為是通過土壤酶的活性作用以及活性生物體生命活動的化學(xué)變質(zhì)行為進行的.這個降解行為一般有兩個步驟,一是聚合物通過生物反應(yīng)降解腐化碎裂成比較低的分子量碎片,如氧化過程,光降解過程和水解過程[15-17];二是由微生物參與反應(yīng)促進的生物降解過程,這一礦化過程發(fā)生在聚合物碎片在微生物生長時的生物同化作用中[18-19].

影響PHBV降解中最重要的因素有:1)微生物的微觀規(guī)整性,如:被聚合物降解酶水解的結(jié)構(gòu)單體排布陣型;2)結(jié)晶度,如:高結(jié)晶度的降解分裂程度;3)聚合物的分子量,因為低分子量的聚合物比起高分量的聚合物通常降解速率要高一些;4)PHBV聚合物的單體結(jié)構(gòu)等[20-22].同時在PHBV混合物的生物降解過程中,聚合物中復(fù)合負(fù)載的組成結(jié)構(gòu)和增容性也扮演著非常重要的角色.在實驗中,木質(zhì)素的添加使PHBV聚合物更加順利的進行水解降解反應(yīng)[23-24].

在含有增強熔融強度鏈增長劑 Joncryl ADR-4368的PHBV聚合物中,無論其單獨或同木質(zhì)素一起添加在基質(zhì)中都對聚合物的礦化作用產(chǎn)生抑制作用,是因為降解中 Joncryl會產(chǎn)生環(huán)氧基官能團,此官能團會參與并且促進聚合物中一個有效的抗真菌以及抗細(xì)菌的行為活動[25],從而降低微生物的活性,因此會使含有Joncryl的PHBV基復(fù)合材料的生物降解過程變的緩慢[26-27].另一方面,研究結(jié)果表明可通過增鏈劑 Joncryl添加后聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變(如聚合物化學(xué)結(jié)構(gòu)中的交聯(lián)結(jié)構(gòu)變化)來判定添加劑對生物降解過程的危害和抑制效應(yīng).在此實驗中還可以得到一個重要結(jié)論,在土壤填埋呼吸測試中,非有機成分Dellite 72T的添加會對PHBV混合物的生物降解過程有顯著促進作用,是由于Dellite是一種經(jīng)過季銨鹽處理改良后的蒙脫石材料,它的添加可以使PHBV/Dellite復(fù)合材料在降解過程中有效釋放出氮元素,從而在土壤微生物種群的共同作用下有效提高土壤的肥力效應(yīng)[28-30],促進微生物活性,從而加速聚合物在土壤中降解和礦化作用過程[31-32].

由于本實驗所采用的是工業(yè)級別合成PLA,其在常溫常壓土壤表面的降解一般需要2年時間,因此在半年時間內(nèi)沒有做PLA在土壤中的降解比對測驗.

2.2 PHBV基混合物在熟化堆肥中的生物降解

圖8是PHBV基混合物在熟化堆肥中的礦化趨勢.該實驗中,選取部分添加劑作用于 PHBV 聚合物,與土壤填埋實驗中具有相同組分的材料測試結(jié)果進行比照分析,得出生物降解效率綜合評估.

圖8 (a)PHBV/Joncryl 混合物礦化作用趨勢;(b)PHBV/Lignin復(fù)合材料礦化作用趨勢Fig.8 (a)Mineralization trend for PHBV/joncryl blends;(b) PHBV/lignin composites

在PHBV基聚合物在礦化過程中的抑制作用在熟化堆肥介質(zhì)中同樣取決于Joncryl的添加,與上述土壤填埋呼吸性測試結(jié)果類似,兩者在添加劑作用下表現(xiàn)出同樣的降解規(guī)律如圖 8a.在圖中看出 Joncryl添加到5%時,對聚合物降解的抑制作用非常顯著.同時,聚合物中木質(zhì)素的添加會有效緩和這種鏈增長劑添加所產(chǎn)生的負(fù)面抑制效應(yīng).恒溫降解過程中,同時含有Joncryl和有機添加劑的PHBV混合物表現(xiàn)出多重步驟的高生物降解性(見圖2.2b).

2.3 PLA基混合物在熟化堆肥中生物降解過程

不同比例的Joncryl的添加對PLA基混合物降解速率的影響如圖 9a,在圖 9b中,木質(zhì)素的添加對 PLAJoncryl聚合物降解抑制作用起到一定緩沖作用.

圖9 (a) PLA/Joncryl 混合物的礦化作用趨勢;(b) PLA/Lignin復(fù)合材料礦化作用趨勢Fig.9 (a) Mineralization trend for PLA/joncryl blends;(b) PLA/lignin composites

從圖9(a)可以看到,對比PLA原始樣品,以低百分比含量(0.2%)添加了Joncryl的PLA基混合物,添加劑對其生物降解過程有著輕微的抑制作用,從圖中清晰可見其降解曲線都普遍低于 PLA原料的降解曲線,而當(dāng)添加的百分含量增加到 5%時,對聚合物降解特性產(chǎn)生了非常顯著的抑制作用,這一點在上述對PHBV聚合物的生物降解中也有明顯體現(xiàn),而在趨勢圖中也可以看出PLALN20J5樣品的降解趨勢曲線圖有類似效果,這說明有機添加劑的增加可對Joncryl帶來的抑制影響有所緩解.因此得出結(jié)論,鏈增長劑在聚合物中添加所產(chǎn)生的抗菌活性會有效降低土壤微生物種群數(shù)量,因而有效降低了聚合物的生物降解性能[33-35].

而在對PLA水解降解的機理中,聚合物中對于水分子吸收可以使得聚合物化學(xué)機構(gòu)中集合鏈中酯類鏈鍵斷裂.這個反應(yīng)過程是由于被聚合物結(jié)構(gòu)中位于末端羧基集基團自動催化作用發(fā)生,這符合聚合物斷鏈的一階反應(yīng)動力過程,這一反應(yīng)同時受到聚合物初始結(jié)晶度,樣品聚合寬度和形狀位置等因素綜合影響,反應(yīng)過程中真菌和細(xì)菌可以吸收同化乳酸聚合物的原始材料,以其表面區(qū)域作為其繁衍生長的介質(zhì)[36-38],因而聚乳酸類化合物以及低端分子量化合產(chǎn)物的聚集形態(tài)對于聚合物塑料產(chǎn)品的降解進程的前端促進作用是至關(guān)重要的[39-40].

2.4 河水中生物降解呼吸性測試

在本組實驗中選取了PHBV基混合物,低密度聚乙烯聚合物樣品(Riblene FL30)和PLA聚合物作為受測對象在水介質(zhì)中進行了測試分析,其生物降解特性被用來和參比樣品(纖維素和醋酸鈉)進行比對,研究各添加劑生物降解過程中產(chǎn)生的影響.圖 10中記錄了90d內(nèi)水體環(huán)境中生物降解趨勢.

在恒溫條件下,鏈增長劑Joncryl在較高份量添加時,對混合物降解速率產(chǎn)生了明顯抑制作用(圖 2.4a和 2.4b).從而得出和上述介質(zhì)實驗相似的結(jié)論,即當(dāng)以低濃度(0.2%)添加時,對 PHBV聚合物生物降解速率抑制作用不明顯(圖 10a);當(dāng)以高濃度(5%)聚合時,混合物即使在有機添加劑存在下卻未改善鏈增長劑對混合物產(chǎn)生的抑制作用(圖10b);同時 PLA在水介質(zhì)中降解性能和普遍被認(rèn)為不可降解低密度聚乙烯聚合物表現(xiàn)為極其相似的行為(圖10c).

因此影響生物降解行為主要因素有:聚合物材料化學(xué)組成、分子量、組織結(jié)構(gòu)中化學(xué)鍵、聚合物材料結(jié)晶度、材料表面的自然屬性、生物降解介質(zhì)的本身微生物群落和植物種類以及其他周圍環(huán)境條件[20].在對 PHBV材料熱降解過程機械性能研究中,證實聚合物中β-消除位的隨機斷鏈過程是PHBV產(chǎn)品熱降解主要物理過程,是由于降解過程中,聚合物開鏈反應(yīng)主要發(fā)生在分子結(jié)構(gòu)末端,伴隨開鏈反應(yīng)會生成大量丁烯酸基團,這個羧基自我增擴反應(yīng)是自動加速的有機降解過程關(guān)鍵因素[24,38,41-43],同時,PHBV降解過程中產(chǎn)生的一種酸酐類產(chǎn)物是聚合物高溫分解中的機理過程物,這解釋了由于水解作用造成的PHAs降解過程中分子量的縮減[44].

因此得出結(jié)論,在三種介質(zhì)中聚合物 PHBV和PLA都可在有機物存在情況下快速生物降解,在水環(huán)境中和熟化堆肥過程中進行更快,由于操作實驗不同,PLA在常溫常壓下幾乎不降解,但是在堆肥中表現(xiàn)了很高的降解速率,而不同添加劑的添加量可明顯改變聚合物的熱性能和機械強度,從而影響材料生物降解性能.

圖10 (a) PHBV/Joncryl 混合物的礦化速率趨勢圖;(b) PHBV/Lignin/Joncryl 復(fù)合材料的礦化速率趨勢圖(c)空白樣降解趨勢Fig.10 (a) Mineralization trend for PHBV/joncryl blends;(b) PHBV/lignin/joncryl composite (c) references

3 結(jié)論

3.1 實驗中木質(zhì)素對混合物生物降解有促進作用,尤其在固相媒介中,相反,鏈增長劑的添加則產(chǎn)生抑制作用,不同添加劑的比例也對降解結(jié)果有著很大影響.當(dāng)鏈增長劑Joncryl以高濃度百分比(5%)添加在混合物中時,會對所有介質(zhì)中實驗樣品-PHBV以及PLA 基混合物產(chǎn)生顯著抑制作用;同時,Joncryl以少量濃度(0.2%)添加時,對所測樣品的生物降解行為產(chǎn)生的干擾較小.

3.2 在熟化堆肥實驗中,PLA及其混合物和復(fù)合材料比起同時期測量的PHBV基混合物有著較低的生物降解速率.而有機木質(zhì)素單獨在聚合物中添加或者和鏈增長劑 Joncryl以及非有機添加劑(Dellite 72T)共同添加在聚合物中,都能進一步的促進PLA聚合物中各組分的相容性和連接性,這一點集中體現(xiàn)為含有PLA/LN20/J5組分的混合物在高溫加熱混合過程中的堅韌度和強度比原材料要高出許多.

3.3 PLA/Joncryl混合物的在熟化堆肥和河水中的降解效率說明鏈增長劑可以促進聚合物中鏈的交聯(lián)反應(yīng),以及環(huán)氧基基團和羧基基團–OH 的氧化反應(yīng),使PLA聚合物末端加蓋為羥基官能團,使得水解反應(yīng)順利進行.

3.4 鏈增長劑在聚合物中的添加所產(chǎn)生的抗菌活性會有效降低土壤微生物種群數(shù)量,從而降低聚合物生物降解性能.