生物可降解高分子材料的研究

康宇玲 韓玉

【摘要】生物可降解高分子材料作為一種環(huán)保型高分子材料引起了廣泛關(guān)注。生物可降解高分子材料指在特定條件下能夠在微生物分泌酶的作用下被分解成小分子的材料。本文筆者從生物可降解高分子的機理、應(yīng)用領(lǐng)域、影響因素與發(fā)展前景等發(fā)面對生物可降解高分子進行分析與闡述。

【關(guān)鍵字】生物降解;高分子;材料

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，大量的高分子材料在各個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，而廢棄的高分子材料對環(huán)境的污染也日益嚴(yán)重。廢棄塑料的處理方法主要分為掩埋和焚燒，這兩種方法都會產(chǎn)生新的污染物污染環(huán)境。針對這一問題，許多國家實行了3R工程，3R指的是減少使用（Reduction）、重復(fù)使用（Reuse）、循環(huán)回收（Recycle）。但這只是減少了廢棄塑料的使用，沒有從根本上解決問題。如今，各種存在的處理廢棄塑料的方法都會造成污染，因此研究與開發(fā)環(huán)境可接受的降解性高分子材料是解決環(huán)境污染的重要方法。

1生物可降解高分子材料的用途

生物可降解高分子材料也被稱為“綠色生態(tài)高分子材料”，它在環(huán)境日益污染的今天發(fā)揮著重要的作用，主要分為以下幾個部分。

1.1解決環(huán)境污染問題

利用生物可降解高分子的生物可降解性有效解決環(huán)境污染問題。據(jù)統(tǒng)計，目前世界的高分子材料的產(chǎn)量已經(jīng)超過1.2億噸，這些高分子材料在被使用后產(chǎn)生了大量廢棄物，這些廢棄物變成污染源，造成地下水與土壤的嚴(yán)重污染，進一步危害動植物的生長，對人類更是極其不利。20世紀(jì)90年代初期，在可以用來處理固體廢物垃圾填埋的場地用完以后，一些發(fā)達(dá)國家開始向落后國家出口垃圾，這一行為對發(fā)展中國家的影響是巨大的。一系列環(huán)境危機引發(fā)了人類的覺醒，發(fā)展可降解的環(huán)境友好型的材料成了科學(xué)家們的主要研究的方向，生物可降解高分子材料的出現(xiàn)為人類解決了這一難題，它能在一定條件下，利用微生物分泌酶的作用進行分解，大大減少了對環(huán)境的污染。

1.2生物可降解高分子在醫(yī)療器材中的使用

利用生物可降解高分子的特性可以制作生物醫(yī)用材料。使用可降解高分子制作成的藥物可以在人體內(nèi)分解，參與人體的新陳代謝。在生物可降解分子研究的初期，研究內(nèi)容主要集中于部分降解的可崩潰型高分子材料的研究，但現(xiàn)在這一研究已經(jīng)逐漸被否定。目前許多國家仍然在不斷研究與發(fā)展生物可降解性的高分子材料，然而由于技術(shù)水平與成本的制約，生物可降解高分子的研究還沒有達(dá)到令人滿意的程度。

1.3生物可降解高分子材料在包裝行業(yè)中的應(yīng)用

眾所周知，包裝行業(yè)中使用高分子材料的情況非常多，大量的廢棄包裝材料對環(huán)境的污染程度是可想而知的。目前市面上各種包裝材料主要以聚乳酸為首。聚乳酸具有良好的隔水性和透明性。作為基本材料的乳酸是人體可接受的固有物質(zhì)之一，這使得聚乳酸對人體無毒無害，被廣大消費者接受。而傳統(tǒng)的包裝材料由合成樹脂構(gòu)成，由于傳統(tǒng)樹脂的分解性不強，廢棄的包裝材料造成了40%的城市垃圾，成為最主要的環(huán)境污染源。

2生物可降解高分子的降解機理

生物降解指微生物的分解作用，在高分子領(lǐng)域指的是高分子材料在溶劑化，簡單水解和酶反應(yīng)等條件下，轉(zhuǎn)化為相對簡單的中間產(chǎn)物或小分子的過程。高分子材料的生物降解主要由水合作用，強度損失，物質(zhì)整體化喪失和質(zhì)量損失4個階段組成。水合作用是指由范德華力氫鍵所維系的二次、三次結(jié)構(gòu)的破裂而引發(fā)的水合作用。接下來在化學(xué)作用或酶的催化作用下，高分子主鏈可能破裂，造成高分子材料的強度降低。而高分子主鏈、交聯(lián)劑、外懸基團的開裂會進一步造成交聯(lián)高分子材料強度的降低，高分子鏈進一步斷裂。高分子鏈的不斷斷裂造成質(zhì)量損失和相對分子質(zhì)量的降低，相對分子質(zhì)量低到一定程度后就會被酶分解代謝稱為水和二氧化碳等。由此可見，生物的降解過程并非是單一的化學(xué)反應(yīng)，而是復(fù)雜的生物物理，生物化學(xué)的協(xié)同作用，是物理化學(xué)生物相互影響促進的過程。

3影響生物可降解高分子降解性的因素

3.1生物高分子的分子主鏈的影響

四大通用塑料聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯都具有C—C鍵為主鍵的結(jié)構(gòu)，使得它們對微生物的阻抗性很高，而根據(jù)研究表明，當(dāng)聚合物的主鏈上含有C-O，C-N鍵時，聚合物對生物降解的敏感性大大提高。因此，根據(jù)共聚原理，想要制備出生物降解塑料就必須要在聚合物中引入易于生物降解的化學(xué)鍵。

3.2支化與分子量對生物高分子降解的影響

國外研究表明，對分子量范圍為170～620的線性與支鏈型碳?xì)渚酆衔锏纳锝到庑赃M行分析比較，結(jié)果表明支鏈型聚合物的真菌生長速度與線性聚合物相比明顯小得多，也就是說線性的碳?xì)渚酆衔锔子诮到?。同時分子量的大小對高分子材料的影響也是巨大的，例如PS、PE、聚丁二烯和聚異丁烯只有在分子量小于特定值后才能夠被菌種所分解。

3.3降解環(huán)境對生物高分子降解的影響

雖然材料結(jié)構(gòu)是決定生物大分子降解的主要因素，但是環(huán)境對生物大分子材料的降解也有一定的影響作用。降解環(huán)境主要指降解過程中的水，溫度，酸堿度和氧濃度等。水是微生物生長與代謝的基本條件，只有水的供應(yīng)量足夠，微生物才可以進行分解材料。而溫度對微生物也有影響，每一種微生物都有適合其生長的最佳溫度與酸堿度，一般來說真菌生長在酸性條件下，而細(xì)菌在堿性條件下的生長更加迅速，想要提高降解效率，就必須要保證微生物的正常生長，為微生物提供合適的溫度，酸堿度等生長環(huán)境。

4生物可降解高分子的前景展望

由于我國生物高分子技術(shù)的研究并不成熟，國內(nèi)的生物可降解高分子的開發(fā)與應(yīng)用還存在一些問題。比如：產(chǎn)品價格過高，產(chǎn)品的性能和用途受到限制，產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)不夠成熟等。盡管高分子市場存在許多不足，隨著人們環(huán)保意識的增強和我國環(huán)保法規(guī)的不斷完善，生物可降解高分子的市場仍在迅速增長。塑料薄膜、包裝材料、醫(yī)用材料等領(lǐng)域生物可降解高分子材料的研究將會得到更好的發(fā)展。目前針對如何解決市場出現(xiàn)的問題，研究者正在不斷努力，降低開發(fā)生產(chǎn)成本，對現(xiàn)有的可降解高分子進行性能改進，以獲取更高質(zhì)量的高分子材料。研究開發(fā)低成本，高性能，具有降解時控性，高效性和徹底性的生物高分子材料成為高分子領(lǐng)域的主要研究方向。

【參考文獻】

[1]王身國.生物降解高分子——一類重要的生物材料?1.脂肪族聚酯的本體改性[J].高分子通報，2011，（10）：1-14.

[2]張愛迪，丁德潤，朱香利等.生物降解高分子材料研究應(yīng)用進展[J].化工新型材料，2011，39（7）：17-20.

[3]陳詩江，王清文.生物降解高分子材料研究及應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備，2011，（7）：142-144，141.