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1、可降解高分子材料高分子材料具有很多其它材料不具备的优异性能,在尖端技术、国防建设和国民经济各个领域得到广泛的应用,是现代科技和生活不可缺少、不可替代的重要材料,其生产和消费一直保持很旺的势头。21世纪更是高分子材料高速发展和充分利用的新世纪,但是大多数高分子材料在自然环境中不能很快降解,日益增多的废弃高分子材料已成为城市垃圾的重要来源,产生的白色污染已严重影响人类生存环境,这已成为全球性的问题。因此研究和开发可降解高分子材料是非常有意义的。高分子降解是指构成聚合物的大分子链断裂反应。聚合物暴露于氧、水、射线、热、光、化学试剂、污染物质、机械力及生物(尤其是微生物)等环
2、境条件下的降解过程称为环境降解。从机理上降解因素可归纳为生物、光、化学降解,其中最具应用前景的是光降解与生物降解。可降解高分子材料按照降解机理可大致分为光降解高分子材料、生物降解高分子材料和光-生物双降解高分子材料三大类。目前的重点研究方向是具有光生物双降解特性的高分子材料和具有完全降解特性的完全生物降解高分子,这也是今后产业发展的方向。1生物降解高分子就天然高分子而言,我们对生物降解高分子是非常熟悉的,我们知道生命体不仅能合成多种高分子(例如:蛋白质、多糖等),而且也能分解它们,但是随着人工合成高分子的出现,问题随之而来,这些人工合成的高分子不能为生物所降解,而且自
3、身分解极慢,它大大危害着我们的生存环境。于是人工合成降解高分子应运而出。1.1生物降解高分子的定义和降解性的表征方法以下为从学术角度和一般意义上对生物降解高分子的定义,但对降解的时限、降解的产物等实质性问题均未作任何描述和定义,仍需进一步完善。(a)学术上:生物降解高分子就是在一定环境条件下和一定时间内由于微生物(例如:细菌、酵母等)的作用而发生降解反应的高分子。(b)一般意义上:生物降解高分子是一类在自然环境条件下可为微生物作用而引起降解的高分子。高分子材料在一定的环境中降解一般要经历以下几个降解阶段(见图2),各个阶段有其独特的特征,因而评价方法也不同[2]。常用
4、的评价方法有以下4种:(1)生物降解过程中塑料质量的减少量;(2)生物降解过程中氧的消耗量;(3)生物降解过程中二氧化碳的生成量;(4)生物降解生成物的积存量。1.2生物降解高分子实例1.2.1添加型淀粉塑料和橡胶料(PE、PP、PS和PVC等)共混。淀粉含量一般为7%~15%,例如美国的Agrifech公司,加拿大St.Lawarnce公司产品均属此类[5]。最近美国的Goodyear公司宣布试销含有部分淀粉填料的轮胎,该填料可以降低轮胎的滚动阻力和轮胎的重量,还有利于环境保护。但是添加型淀粉塑料和橡胶的主要成分仍是石油基类聚合物(PE、PP、PS、PVC等),很快
5、降解的部分主要是淀粉,剩余的树脂降解仍需几百年。日本的大武义人等对LDPE的生物降解进行了深入研究,指出60m的LDPE薄膜要达到完全生物降解需近300年。该类产品的价格高于传统塑料,未降解的聚烯烃难于回收处理,对废弃物的处理造成更大的麻烦和混乱,严格地讲添加淀粉的可降解塑料不具备降解机理和功能[6],所以该类产品已不再受欢迎。1.2.2热塑性淀粉该材料是近期正在开发的完全生物可降解材料,意大利的Ferruzzi研制出一种淀粉含量为70%的合金[7],所使用的树脂是无毒的,分子量5000~50000,它与淀粉直接地交联或产生间接物理作用,从而形成一连续相,该合金有良好
6、的成型性、二次加工性、力学性能和优良的生物降解性能,缺点是有亲水性,不宜用于食品包装而且价格较高。德国的Battele研究所开发出了淀粉含量为90%的降解塑料,可作为包装材料使用,以聚氯乙烯为取代目标。美国的Warnerlamber公司开发了一种称为#Novon∃的热塑性淀粉材料,#Novon∃是以变性淀粉为主,且配有少量其它生物降解性添加剂的高淀粉含量的天然聚合物材料,淀粉含量高达90%~100%,材料的性能类似于聚苯乙烯,可完全生物降解,而且降解可控,产品广泛用于医用器材、包装材料1.2.3淀粉和其它可降材料的复合材料淀粉可以和果胶、纤维素、半乳糖、甲壳素等天大分
7、子[复合成可完全生物降解的材料,用于制备包装材料或食品容器。Mayer等人[11]将淀粉与醋酸纤维素熔融加工成共混物,其力学性能与PS相似,土壤环境降解实验表明,共混体系中淀粉易受微生物进攻,因此首先被降解掉。1.2.4化学合成型生物降解高分子该类生物降解高分子材料多在分子结构中引入酯基结构的聚酯。工业化的有聚乳酸和聚己内酯(PCL)。PLA在医学领域内被认为是最重要的可完全生物降解高分子。由于制备工艺、成本的限制,该类材料在降解塑料领域的研究起步较晚,但越来越受到重视。由于可完全降解,所以应用前景较好,但是降解机理仍不清楚。国际市场上出售的有大日本
