生物可降解高分子材料21页PPT
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第七章 生物可降解高分子材料参考幻灯片
表一：天然高分子的分类和常见例子
天然 高分 子
天
天
然
然
多
纤
糖
维
天
天
天
然
然
然
蛋
树
橡
白
胶
胶
植
动
植
动
矿
动
卵
种
天
物
物
物
物
物
物
白
子
松
然
多
多
纤
纤
纤
蛋
蛋
蛋
香
乳
糖
糖
维
维
维
白
白
白
胶
淀 粉
甲 壳 素
棉 、 麻 等
毛、 蚕丝 等
石 棉 等
胶 原 蛋 白
白 朊
大 豆 蛋 白
图1 淀粉颗粒的扫描电子显微镜照片： (a) 普通 的玉米淀粉；(b)小麦淀粉。
接枝改性就是在淀粉骨架上引入大分子链，按照 方式可分为接枝聚合和衍生反应。淀粉接枝改性 主要为提高共混体系的使用性能或作为增容剂来 增加淀粉和共聚物的相间结合力。
所谓小分子改性就是低分子量物质与淀粉的羟基 反应，使淀粉带上官能团。常见的小分子改性淀 粉有烯丙基淀粉和乙酰化淀粉等。
将热淀粉与其它材料共混，既可以提高淀粉的耐 水性和力学强度，又大大简化了材料的制备过程。 常见的可与淀粉共混的材料有不可降解的合成高 分子，可降解的合成高分子，天然高分子以及天 然无机物等。
高分子类型
主链键合形式
降解产物
聚酯 聚醚
—C—COO—C— —C—O—C—
—COOH + HO—C— —C—OH + HO—C—
生物可降解高分子ppt
生物降解高分子材料
040102黄演 040108杨文丽
高分子降解性概念
ASTM（American Society for Testing and Materials）定义：
生物降解高分子材料是指通过自然界 微生物（细菌、真菌等）作用而发生降解 的高分子。
一般来说，生物降解高分子指的是在 生物或生物化学作用过程中或生物环境中 可以发生降解的高分子。
高分子比高熔点高分子易于生物降解。
▪
酯键、肽键易于生物降解，而酰胺键由于分子间的
氢键难以生物分解。
▪
亲水高分子比疏水高分子易于生物降解。聚合物的
亲水性和疏水性链段对生物降解性的影响也很大，研究
发现同时含有亲水性和疏水性的链段的聚合物比只有一
种链段结构聚合物更容易生物分解。
▪
环状化合物难降解。
▪
表面粗糙的材料易降解。
降解过程
▪ 生物化学作用 1） 高分子材料的表面被微生物黏附，微生物黏 附表面的方式受高分子材料表面张力表面结构多孔 性温度和湿度等环境的影响。 2） 高分子在微生物分泌的酶作用下，通过水解 和氧化的反应将高分子断裂成为低相对分子质量的 碎片。 3） 微生物吸收或消耗的碎片一般相对分子质量 低于500，经过代谢最终形成CO2、H2O等。
常见高分子主链的降解性
HOOC [
O C O CH2CH2 ]n OH
OH HOOC [ (CH2)4 C N (CH2)6 ]n NH2
聚对苯二甲酸乙二酯（涤纶树脂） 聚己二酰己二胺（尼龙—66）
OH H2N [ (CH2)6 C N ]n (CH2)6 COOH
HO OCN [ (CH2)6 N C O (CH2)4 ]n OH
可降解塑料作为高科技产品和环保产 品正成为当今世界瞩目的研究开发热点， 而其中生物降解塑料能保持塑料特性，即 使用中的稳定性、各种应用性、易处理性 以及经济性；在降解方面，利用生物系统 使塑料分子链的主要成分发生断裂，在塑 料材料领域中有着广阔的前景。
040102黄演 040108杨文丽
高分子降解性概念
ASTM（American Society for Testing and Materials）定义：
生物降解高分子材料是指通过自然界 微生物（细菌、真菌等）作用而发生降解 的高分子。
一般来说，生物降解高分子指的是在 生物或生物化学作用过程中或生物环境中 可以发生降解的高分子。
高分子比高熔点高分子易于生物降解。
▪
酯键、肽键易于生物降解，而酰胺键由于分子间的
氢键难以生物分解。
▪
亲水高分子比疏水高分子易于生物降解。聚合物的
亲水性和疏水性链段对生物降解性的影响也很大，研究
发现同时含有亲水性和疏水性的链段的聚合物比只有一
种链段结构聚合物更容易生物分解。
▪
环状化合物难降解。
▪
表面粗糙的材料易降解。
降解过程
▪ 生物化学作用 1） 高分子材料的表面被微生物黏附，微生物黏 附表面的方式受高分子材料表面张力表面结构多孔 性温度和湿度等环境的影响。 2） 高分子在微生物分泌的酶作用下，通过水解 和氧化的反应将高分子断裂成为低相对分子质量的 碎片。 3） 微生物吸收或消耗的碎片一般相对分子质量 低于500，经过代谢最终形成CO2、H2O等。
常见高分子主链的降解性
HOOC [
O C O CH2CH2 ]n OH
OH HOOC [ (CH2)4 C N (CH2)6 ]n NH2
聚对苯二甲酸乙二酯（涤纶树脂） 聚己二酰己二胺（尼龙—66）
OH H2N [ (CH2)6 C N ]n (CH2)6 COOH
HO OCN [ (CH2)6 N C O (CH2)4 ]n OH
可降解塑料作为高科技产品和环保产 品正成为当今世界瞩目的研究开发热点， 而其中生物降解塑料能保持塑料特性，即 使用中的稳定性、各种应用性、易处理性 以及经济性；在降解方面，利用生物系统 使塑料分子链的主要成分发生断裂，在塑 料材料领域中有着广阔的前景。
生物可降解高分子材料
生物可降解高分子材料
Biodegradable high polymer material
目录
1
现阶段面临的问题
2 生物可降解材料及其分类 3 生物降解材料的降解机理及评价
4 生物可降解高分子材料的开发
5
聚乳酸
6
展望
1 现阶段面临的问题
随着科技进步和社会 生产力的极大提高，人类 创造了前所未有的物质财 富，加速推进了文明发展 的进程。与此同时，人口 剧增、资源过度消耗、环 境污染、生态破坏等成为 全球性的重大问题，严重 地阻碍着经济的发展和人 民生活质量的提高，继而 威胁着全人类的未来生存 和发展。
5 聚乳酸
开环聚合是制备高分子量PLA的一个重要途径，该方法分为 两步:首先是乳酸分子间发生酯化反应生成乳酸低聚体，低聚 体再在较高温度下裂解环化得到丙交酯；随后由精制过的丙 交酯在一定条件下开环聚合成聚乳酸。用这种方法可以制备 分子量高达70到100万的PLA。其反应过程可简单表示如下：
研 究 很 充 分
1 现阶段面临的问题
便利
20世纪后材，合 成高分子料这方 面的研究突飞猛 进给人们的生活 带来巨大便利。
问题
随着高分子材料的 迅速发展人类面临 两个难以解决的问 题：环境污染和资 源短缺。大多数合 成高分子材料耐腐 蚀性较好，在自然 环境下难以分解， 造成严重的污染。
1 现阶段面临的问题
大量废 弃物,难 以分解
工业生产
5 聚乳酸
卡吉尔-陶氏聚合物公司：2002年在美国内布斯加州巴拉尔建成14万吨/年聚乳酸生物降解塑装置。 美国的Cereplast公司： 用聚乳酸(PLA)、淀粉和纳米组分添加剂生产100％的生物基塑料。 Inventa Fisher公司： 开发了基于淀粉的技术并生产PLA 。
Biodegradable high polymer material
目录
1
现阶段面临的问题
2 生物可降解材料及其分类 3 生物降解材料的降解机理及评价
4 生物可降解高分子材料的开发
5
聚乳酸
6
展望
1 现阶段面临的问题
随着科技进步和社会 生产力的极大提高，人类 创造了前所未有的物质财 富，加速推进了文明发展 的进程。与此同时，人口 剧增、资源过度消耗、环 境污染、生态破坏等成为 全球性的重大问题，严重 地阻碍着经济的发展和人 民生活质量的提高，继而 威胁着全人类的未来生存 和发展。
5 聚乳酸
开环聚合是制备高分子量PLA的一个重要途径，该方法分为 两步:首先是乳酸分子间发生酯化反应生成乳酸低聚体，低聚 体再在较高温度下裂解环化得到丙交酯；随后由精制过的丙 交酯在一定条件下开环聚合成聚乳酸。用这种方法可以制备 分子量高达70到100万的PLA。其反应过程可简单表示如下：
研 究 很 充 分
1 现阶段面临的问题
便利
20世纪后材，合 成高分子料这方 面的研究突飞猛 进给人们的生活 带来巨大便利。
问题
随着高分子材料的 迅速发展人类面临 两个难以解决的问 题：环境污染和资 源短缺。大多数合 成高分子材料耐腐 蚀性较好，在自然 环境下难以分解， 造成严重的污染。
1 现阶段面临的问题
大量废 弃物,难 以分解
工业生产
5 聚乳酸
卡吉尔-陶氏聚合物公司：2002年在美国内布斯加州巴拉尔建成14万吨/年聚乳酸生物降解塑装置。 美国的Cereplast公司： 用聚乳酸(PLA)、淀粉和纳米组分添加剂生产100％的生物基塑料。 Inventa Fisher公司： 开发了基于淀粉的技术并生产PLA 。
《生物可降解材料》课件
3
同时，随着生产成本的降低和性能的提高，生物 可降解材料将有可能替代传统塑料，成为主流的 包装和建筑材料。
04 生物可降解材料的研究进 展
生物可降解材料的制备技术
生物可降解材料的合成方 法
包括化学合成、微生物发酵和酶促合成等， 这些方法能够生产出具有优异性能的生物可 降解材料。
生物可降解材料的加工技术
05 生物可降解材料面临的挑 战与解决方案
生物可降解材料的生产成本问题
总结词
生产成本高昂
详细描述
生物可降解材料的生产过程中需要使用昂贵的原材料和复杂的生产工艺，导致其成本远高于传统塑料 。
生物可降解材料的性能稳定性问题
总结词
性能不稳定
详细描述
部分生物可降解材料在自然环境中的降解速率较慢，且在降解过程中可能产生有毒物质，对环境造成二次污染。
生物可降解材料在医疗领域的应用
由于传统医用材料对患者的伤害和对环境的污染，生物可降解材料在医疗领域的应用越来越广泛。这些材料可以用于 制造手术缝合线、药物载体等。
生物可降解材料在其他领域的应用
除了包装和医疗领域，生物可降解材料还可以应用于农业、建筑、纺织等领域。这些材料可以用于制造 农用地膜、建筑材料和服装等。
生物可降解材料的推广应用问题
总结词
应用范围有限
详细描述
目前生物可降解材料的应用领域相对 狭窄，主要集中在包装、餐饮等少数 行业，未能大规模取代传统塑料。
06 结论与展望
总结生物可降解材料的优势与不足
总结词
生物可降解材料在环境保护和可持续发展方面具有显著优势，但也存在一些不足之处。
详细描述
生物可降解材料能够有效地减少塑料垃圾的产生，降低环境污染，同时可降解材料在特 定环境条件下可被微生物分解为水和二氧化碳，实现材料的循环利用。然而，生物可降
生物降解塑料ppt课件
05:14
第三章 生物降解塑料
物降解高分子材料经几个年的发展、已有一些高分子材料 形成商品，如表所示。以下对各类降解高分子材料作一简述。
05:14
第三章 生物降解塑料
3.3.1 微生物合成的高分子
这种聚合物早在1925年由巴黎Pasteur研究所发现，之后 研究表明这种高分子量聚合物用于贮存能量。
05:14
第三章 生物降解塑料
PLA是结晶的刚性聚合物，强度高，但耐水性差，容易水解。 Tg为58摄氏度，Tm是184摄氏度，可制成纤维、薄膜、 棒、螺栓、板和夹子。 乳酸与乙交酯或已内酰胺共聚可改善聚合物的机械性能， 这种共聚物可用在医学上，如缝线、移植等，也可用作食品包 装、纸涂层、快餐器具等。
05:14
第三章 生物降解塑料
目前能使聚合物降解的酶主要是水解酶和氧化还原酶。 1）一般水解酶在细胞外，故适合于聚合物降解。 2）氧化还原酶则大多存在于细胞内，故不太适合于高分子 的初始降解。 一般加聚类聚合物不易发生生物降解反应，如聚烯烃、聚 苯乙烯、聚氯乙烯等都是耐生物降解的。试验结果表明， HDPE分子量在3000以下是可以生物降解的，LDPE分子量在 200以下是可以生物降解的、而PS分子量在600以下也不容易 生物降解。
可见除聚乳酸和聚乙烯醇外，聚合物的玻璃化温度Tg均低 于室温。
对聚合物来说，结晶可以提高材料的强度，但结晶度太高， 会使酶作用能力变差，主要是因为结晶品格限制分子运动，不 能使酶分子与聚合物很好地发生作用。
根据以上讨论，设计合成的生物降解高分子材料应该是脂 肪族极性物质，分子链柔性比较好，分子链间不交联。因此， 共聚或共混的方法是改进生物降解聚合物降解塑料
PHB是一种脆性的高度结晶的不稳定的材料，平均结晶度 80％，其熔点179摄氏度，玻璃化转变温度0～5摄氏度，密 度1.35g/cm3，热变形温度143摄氏度，上限工作湿度93摄 氏度。
第三章 生物降解塑料
物降解高分子材料经几个年的发展、已有一些高分子材料 形成商品，如表所示。以下对各类降解高分子材料作一简述。
05:14
第三章 生物降解塑料
3.3.1 微生物合成的高分子
这种聚合物早在1925年由巴黎Pasteur研究所发现，之后 研究表明这种高分子量聚合物用于贮存能量。
05:14
第三章 生物降解塑料
PLA是结晶的刚性聚合物，强度高，但耐水性差，容易水解。 Tg为58摄氏度，Tm是184摄氏度，可制成纤维、薄膜、 棒、螺栓、板和夹子。 乳酸与乙交酯或已内酰胺共聚可改善聚合物的机械性能， 这种共聚物可用在医学上，如缝线、移植等，也可用作食品包 装、纸涂层、快餐器具等。
05:14
第三章 生物降解塑料
目前能使聚合物降解的酶主要是水解酶和氧化还原酶。 1）一般水解酶在细胞外，故适合于聚合物降解。 2）氧化还原酶则大多存在于细胞内，故不太适合于高分子 的初始降解。 一般加聚类聚合物不易发生生物降解反应，如聚烯烃、聚 苯乙烯、聚氯乙烯等都是耐生物降解的。试验结果表明， HDPE分子量在3000以下是可以生物降解的，LDPE分子量在 200以下是可以生物降解的、而PS分子量在600以下也不容易 生物降解。
可见除聚乳酸和聚乙烯醇外，聚合物的玻璃化温度Tg均低 于室温。
对聚合物来说，结晶可以提高材料的强度，但结晶度太高， 会使酶作用能力变差，主要是因为结晶品格限制分子运动，不 能使酶分子与聚合物很好地发生作用。
根据以上讨论，设计合成的生物降解高分子材料应该是脂 肪族极性物质，分子链柔性比较好，分子链间不交联。因此， 共聚或共混的方法是改进生物降解聚合物降解塑料
PHB是一种脆性的高度结晶的不稳定的材料，平均结晶度 80％，其熔点179摄氏度，玻璃化转变温度0～5摄氏度，密 度1.35g/cm3，热变形温度143摄氏度，上限工作湿度93摄 氏度。
可生物降解高分子-概述_ppt课件
据美国ASTM（材料和实验协会）定义：生物降解材 料是在细菌、真菌、藻类等自然界存在的微生物作用
下能发生化学、生物或物理作用而降解或酶解的高分
子材料。
┌ PE、PP、PVC、PS 与淀粉共混物 ┌不完全降 ┼ 合成脂肪酸聚酯(PCL)与通用聚烯烃共混 │解性塑料 └ 天然矿物质与PCL、PE、PP等共混 │ │ ┌ 脂肪族聚酯 [聚( b -羟基 │ │ 脂肪酸酯)（PHA）类] 生物降-│ ┌ 微生物合成 － ┤ 聚乳酸等生物聚酯 解塑料 │ │高分子聚合物 └ 其它微生物合成聚合物 │ │ │ │ ┌ 酯肪族聚酯PCL, PLA │ │ │ 聚乙二醇 │ │ │ 环氧乙烷与二氧化碳共聚物 └ 完全降解 ┼ 化学合成高 ┼ 聚乙烯醇及其衍生物 性塑料 │ 分子聚合物 └ 聚氨酯及其改性物 │ │ ┌ 纤维素及其衍生物 └ 天然高分子聚合物 ┤ 壳素 (甲壳质素) 及其衍生物 (或混合物) │ 脱乙酰壳聚糖 └ 热塑性淀粉
生物降解材料的种类与性能
天然高分 微生物合 人工合成 但高分子量的聚酯，只能通过 子可降解 成的可降 可降解材 开环聚合方法合成，因为缩聚 材料 解材料 料 反应受反应程度和反应过程中 按照结构与组成，可分为天 产生的水的影响，很难获得高 然蛋白质、多糖及其衍生物， 分子量的产物。目前已开发的 此外还包括一些生物合成聚 主要包括聚 β-羟基丁 由生物体内提 主要产品有聚乳酸（PLA ）、聚 大多是在分子 酸酯(PHB) 、聚羟基 酯。典型的蛋白类、多糖类 取或自然环境 结构中引入酯 己内酯（ PCL）、聚乙醇酸 戊酸酯等，它们同属 物质及其衍生物有胶原、胶、 中直接得到的 基的脂肪族聚 于聚羟基烷酸酯 （ PGA）、聚乙醇酸交酯、聚 一类大分子， 环糊精、淀粉、葡聚糖、壳 (PHA)。其中，聚羟 酯，其制备方 丙醇酸交酯、聚琥珀酸丁二酯 具有良好的生 壳糖、透明质酸、纤维素、 基丁酸是低毒材料， 法主要包括缩 （ PBS）等。 物相容性和可 目前已被用于药物控 海藻酸衍生物、硫酸软骨素
可降解高分子材料
可降解高分子材料可降解高分子材料（也称为可生物降解高分子材料）是指能够在自然环境下被微生物降解、分解的高分子材料。
随着环境保护意识的增强以及对塑料垃圾影响的关注，可降解高分子材料得到了广泛关注和应用。
可降解高分子材料根据其来源可分为天然的和合成的两类。
天然的可降解高分子材料主要来源于动植物，如淀粉、纤维素、蛋白质等。
合成的可降解高分子材料则是通过化学合成得到的，常见的有聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）、聚己内酰胺（PHB）等。
可降解高分子材料的应用范围十分广泛。
在包装行业中，可降解高分子材料可以替代传统的塑料包装材料，减少塑料垃圾的产生，对环境友好。
在农业领域，可降解高分子材料可以用于农膜、肥料包袋等农业用品的生产，减少对土壤的污染。
在医疗领域，可降解高分子材料可以用于制造缝合线、修复器械等，避免二次手术取出缝线的需求，减轻患者的痛苦。
可降解高分子材料具有许多优点。
首先，它们可以被微生物降解，无需进行特殊的处理。
其次，它们与传统塑料相比具有更快的降解速度，不会给环境带来长期的污染。
第三，可降解高分子材料可以根据需要进行调节，在强度、降解速度等方面进行优化。
此外，可降解高分子材料还具备良好的生物相容性，不会对人体或其他生物产生不良影响。
然而，可降解高分子材料也存在一些挑战。
首先，目前很多可降解高分子材料的生产成本较高，使得其在一些领域的应用受到限制。
其次，降解速度可能会受到环境条件的影响，造成降解时间的不确定性。
另外，可降解高分子材料的性能与传统塑料相比仍有一定差距，需要进一步的研发和改进。
综上所述，可降解高分子材料具有广泛的应用前景，可以帮助减少塑料垃圾的产生，保护环境。
随着技术的发展和成本的下降，相信可降解高分子材料将在各个领域得到更广泛的应用。
生物降解材料PBS材料ppt课件
脂肪酶攻击
细菌、水解
微生物利用 材料碎片
7
PBS降解机理
能够分解脂肪族聚酯的微生物种类很多，包括许多细菌和 霉菌等，它们广泛分布在自然界中，其中以土壤中最多。 PBS基塑料理论上容易被微生物降解，但随其共聚组分、 相对分子质量的不同，降解性有很大差别。酯键之间结合 的亚甲基数为4～8时，脂肪族聚酯较容易降解。聚合物链 中存在苯环结构和脂肪族醚键等，其生物降解性下降； PBS的相对分子质量大以及亲水性差，也不利于微生物的 侵蚀、繁殖与生物降解。
4
PBS介绍
包装材料 垃圾袋、食品袋、各种瓶子和标签等
农林业用品 农用薄膜、各种种植用器皿、植被网、农
药以及化肥缓释材料
日用杂品 某公司以PBS为主要原料，并填充滑石粉、
碳酸钙，制成各种成形制品
医疗方面 一次性医疗用品、生物医用高分子
材料、药物缓释载体基质
5
PBS降解机理
材料降解是指在保存期内材料性能不变,而使用后在一定环 境条件下能够被降解。其过程是材料被细菌，霉菌等作用 消化吸收的过程，大致分为两步： 1）微生物向体外分泌水解酶,和材料表面结合,通过水解切 断高分子链,生成分子量小于500 g/mol 以下的小分子量的 化合物 2）降解的生成物被微生物摄入体内,经过种种的代谢路线, 合成为微生物体内所需物质或转化为微生物活动的能量,最 终都转化为水和二氧化碳。
▪ PBS同时也是一种新型的可生物降解高分子材料，其降解与应用的研究始于 20世纪90年代。对于环境友好材料和生物材料而言，PBS基降解材料的制备 与应用是新兴的研究领域。
▪ 同时，合成PBS的主要原料1,4-丁 二酸和1,4-丁二醇不仅可以由石油 化工路线得到，可以由煤化工路线 和生物发酵的途径得到，因此更具 环保意义和经济价值。
可降解材料PPT课件
中国环保 环境监理 中国环境标志 中国节水标志
中国节能 产品标志
绿色食品标志 回收标志 全球环保标章
淀粉添加剂
生物降解 天然大分子
合成聚合物
降解高分子
光降解
添加光敏剂型 化学合成
光生物双降解
氧化降解
复合降解
(1)生物降解高分子
生物降解高分子材 料是指在自然界微生物 或人体及动物体内的组 织细胞、酶和体液的作 用下,可使其化学结构 发生变化,致使分子量 下降及性能发生变化的 高分子材料。
• 特点：热可塑性。 • 热塑性树脂有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯
（PS）、聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚酯（PET 等）、ABS树脂、聚甲醛（POM）、聚砜（PSF）、聚氯 乙烯等。热固性树脂有酚醛和脲醛树脂，环氧树脂，氟树 脂，不饱和聚酯和聚胺酯、 呋喃树脂、三聚氰胺甲醛树 脂、丁苯树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺树脂等
3．白色污染的危害
塑料垃圾中，一次性塑料袋、塑料饭盒占60％。塑料垃圾 增长最明显的是闹市区和消费水平较高的生活区。
• 长江葛洲坝岸边漂浮堆积的“白色垃圾”，足容得下多人站立而 不下沉。目前，长江上游顺江而下的大量“白色垃圾”不仅严重 污染水面，也给葛洲坝水电站和在建的三峡水利枢纽未来的运行
发电带来严重安全隐患。清理这些“白色垃圾”迫在眉睫。
非生物降解合成材料尤其是塑料包装材料在废弃后会给 环境带来极大的负面影响，即造成所谓的“白色污染”。 据报道，塑料正以每年2500万吨的速度在自然界中堆 积。如何对付“白色污染”成为了人们普遍关注的问题。
三、白色污染
2．白色污染的原因
• 90年代初高分子化学家指出C—C键不能酶解与 水解，要断键除非光解与氧化聚乙烯实际上只是 成为碎片留存于土壤中。因此开发完全可生物降 解材料成为一个新的课题。