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1、可生物降解高分子材料的分类及应用摘要:本文作者对天然高分子材料、微生物合成高分子材料、化学合成高分子材料及掺混型高分子材料四类生物降解高分子材料进行了综述,并对可生物降解高分子材料在包装、餐饮业、农业及医药领域的应用作了简要介绍。关键词:生物降解;高分子材料;应用前言塑料是应用最广泛的高分子材料,按体积计算已居世界首位,由于其难以降解,随着用量的与日俱增,废弃塑料所造成的白色污染已成为世界性的公害。意大利、德国、美国等国家已率先以法律形式,规定了必须使用降解性塑料的塑料产品范围;我国目前的塑料生产和使用已跃居世界前列,每年产生几百万吨不可降解的废旧物,严重污染着环境和危
2、害着我们的健康。可见开发可降解高分子材料、寻找新的环境友好高分子材料来代替塑料已是当务之急。降解高分子材料[1]是指在使用后的特定环境条件下,在一些环境因素如光、氧、风、水、微生物、昆虫以及机械力等因素作用下,使其化学结构能在较短时间内发生明显变化,从而引起物性下降,最终被环境所消纳的高分子材料。根据降解机理[1,2]的不同,降解高分子材料可分为光降解高分子材料、生物降解高分子材料、光-生物降解高分子材料、氧化降解高分子材料、复合降解高分子材料等,其中生物降解高分子材料是指在自然界微生物或在人体及动物体内的组织细胞、酶和体液的作用下,使其化学结构发生变化,致使分子量下降
3、及性能发生变化的高分子材料。生物降解高分子材料的应用广泛,在包装、餐饮业、一次性日用杂品、药物缓释体系、医学临床、医疗器材等诸多领域都有广阔的应用前景,所以开发生物降解高分子材料已成为世界范围的研究热点。1生物降解高分子材料的分类根据生物降解高分子材料的降解特性可分为完全生物降解高分子材料)和生物破坏性高分子材料(或崩坏性);按照其来源的不同主要分为天然高分子材料、微生物合成高分子材料、化学合成高分子材料和掺混型高分子材料四类。1.1天然高分子材料[3,4]天然高分子物质如淀粉、纤维素、半纤维素、木质素、果胶、甲壳素、蛋白质等来源丰富、价格低廉,特别是天然产量居首位的纤
4、维素和甲壳素,年生物合成量超过10106吨。利用它们制备的生物高分子材料可完全降解、具有良好的生物相容性、安全无毒,由此形成的产品兼具天然再生资源的充分利用和环境治理的双重意义,因而受到各国的重视,特别是日本。如日本四国工业技术实验所用纤维素和从甲壳素制得的脱乙酰壳聚糖复合,采用流延工艺制成的薄膜,具有与通用薄膜同样的强度,并可在2个月后完全降解;他们还对壳聚糖－淀料复合高分子材料进行了大量的研究工作,发现调节原料的比例、热处理温度,可改变高分子材料的强度和降解时间。天然高分子材料虽然具有价格低廉、完全降解等诸多优点,但是它的热力学性能较差,不能满足工程高分子材料加工的
5、性能要求,因此对天然高分子进行化学修饰、天然高分子之间的共混及天然高分子与合成高分子共混以制得具有良好降解性、实用性的生物降解高分子材料是目前研究的一个主要方向。1.2微生物合成高分子材料[3,4,5]微生物合成高分子材料是由生物通过各种碳源发酵制得的一类高分子材料,主要包括微生物聚酯、聚乳酸及微生物多糖,产品特点是能完全生物降解。其中聚酯类由英国ICI公司开发的商品名为Biopol最为典型,其成分是3-羟基丁酸酯(3HB)和3-羟基戊酸酯(3HV)的共聚物(PHBV),由丙酸和葡萄糖为低物发酵合成。聚乳酸是世界上近年来开发研究最活跃的降解高分子材料之一,它在土壤掩埋3
6、~6个月破碎,在微生物分解酶作用下,6~12个月变成乳酸,最终变成CO2和H2O。美国Kogill公司于1994年投资800万美元建立年产量5000t的聚乳酸工厂,该工厂以玉米经乳酸菌发酵得到L-乳酸经聚合制得聚乳酸;Cargill-陶氏聚合物公司在美国内布拉斯加州建成的14万吨/年生物法聚乳酸装置,是迄今为止世界上最大的聚乳酸生产装置。微生物合成高分子材料有良好的降解性和热塑性,易加工成型,但在耐热和机械强度方面还需改进,而且成本较高,现在只在医药、电子等附加值较高的行业得到广泛应用。目前,各国科学家正在进行改用各种碳源以降低成本的研究。1.3化学合成高分子材料[6]
7、由于在自然界中酯基容易被微生物或酶分解,所以化学合成生物降解高分子材料大多是分子结构中含有酯基结构的脂肪族聚酯。聚酯及其共聚物可由二元醇和二元酸(或二元酸衍生物)、羟基酸的逐步聚合来获得,也可由内酯环的开环聚合来制备。缩聚反应因受反应程度和反应过程中产生的水或其他小分子的影响,很难得到高分子量的产物。开环聚合只受催化剂活性和外界条件的影响,6可得到高分子量的聚酯,相对分子量高达106,单体完全转化聚合。因此,开环聚合成为内酯、乙交酯、丙交酯的均聚和共聚合成生物降解高分子材料的理想聚合方法。目前开发的主要产品有聚乳酸(PLA)、聚己内酯(P
