材料化学论文可降解塑料的发展现状与前景

本科课程论文

题目可降解塑料的发展现状与前景

院（系）化学学院

专业应用化学

课程材料化学

学生姓名冉寿梅

学号2009210394

指导教师王宏里

二○一二年六月

生物可降解塑料的发展现状与前景

摘要：塑料在生活中起重大作用，但其也给环境带来了危害。如何解决由塑料制品所造成的白色污染时全人类共同面临的问题。而开发可降解塑料则是一个良好的解决方案，研究和开发可降解塑料刻不容缓。本文从可降解塑料的分类、发展状况、降解机理以及发展前景等方面，对可降解塑料进行了综合性的介绍。

关键词：可降解塑料降解机理前景

一、引言

塑料自其发明开始，就一直饱受人们的亲睐。鲜艳的色彩，轻薄的重量，不怕摔，经济耐用，以及实用方便等特点都给给它本身带来了宽广的市场。据统计，全世界的高分子塑料的年产量已经超过1.4亿吨，消耗量正以平均100%以上的速度增长；废弃塑料 8000万吨/年，且每年正以惊人的速度增加。我国是世界上十大塑料制品生产和消费国之一[1]。但是，高消耗量的塑料在给人们带来便利的同时，也给人类所生活的环境带来了不容忽视的污染。所谓，“白色污染”，就是指主要包括塑料袋、塑料快餐盒、餐具、杯盘、塑料包装等废弃的不易降解的塑料对环境的污染。

过去，对废旧塑料的处理办法主要是土埋和焚烧，但是，土埋浪费大量的土地，焚烧则会生产大量的二氧化碳及其他对环境有害的氮、硫、磷、卤素等化合物，助长了温室效应和酸雨的形成。而且这些方法是治标不治本，治理必须要从源头做起。因此对可降解塑料的研究成为了研究的热点。本文主要从物可降解塑料的机理、发展状况以及应用前景和研究方向等方面，对其进行综合性的介绍。

二、分类

可降解塑料是指在生产过程中加入一定量的添加剂（如淀粉、改性淀粉或其它纤维素、光敏剂、生物降解剂等），稳定性下降，较容易在自然环境中降解的塑料。可降解的塑料一般分为四大类:

（1）光降解塑料

在塑料中掺入光敏剂，在日照下使塑料逐渐分解的一类可降解塑料。它属于较早的一代降解塑料，其缺点是降解时间因日照和气候变化难以预测，因而无法控制降解时间。

（2）生物降解塑料

在微生物的作用下，可完全分解为低分子化合物的塑料。其特点是贮存运输方便，只要保持干燥，不需避光，应用范围广，不但可以用于农用地膜、包装袋，而且广泛用于医药领域。

（3）光-生物降解

光降解和微生物相结合的一类塑料，它同时具有光和微生物降解塑料的特点。

（4）水降解塑料

在塑料中添加吸水性物质，用完后弃于水中即能溶解掉，主要用于医药卫生用具方面（如医用手套），便于销毁和消毒处理。随着现代生物技术的发展，生物降解塑料越来越受到重视，已经成为研究开发的新一代热点。

三、发展状况

1.国外研究状况

目前全球研发的生物降解塑料已达几十种，进行批量生产或工业化生产的品种包括:微生物发酵合成的聚羟基脂肪酸酯(PHA)；化学合成的聚乳酸(PLA),聚己内酯 (PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、脂肪族/芳香族共聚酯、二氧化碳/环氧化合物共聚物(APC)、聚乙烯醇(PVA)等；可降解塑料与淀粉的共混物，如淀粉//P VA、淀粉//PCL、淀粉/PLA等[2]。

美国DuPont公司、Eastman Chemical公司开发的脂肪族/芳香族共聚醋，商品名分别为“Biomax”和“Eastar Bio"，已建成年产万吨级生产规模；Dow Chemical公司开发的PCL，商品名“Tone"[3],已建成4500 t/a规模生产线，并已批量生产;Novon International公司开发的淀粉基塑料系列产品，已建成4.5万t/a规模的工业化生产线，商品名为"Novon"，已用于垃圾袋、餐具、尿布、农膜等。

2.国内现状

我国降解塑料的研发起步于20世纪70年代的光降解塑料，80年代研发淀粉添加型降解塑料，90年代的研发重点是光降解、碳酸钙填充光降解、淀粉添加型部分生物降解、淀粉添加型热氧化生物降解、热氧化降解等降解塑料。近年来，随着国外生物降解塑料生产技术日趋成熟、生产规模不断扩大。目前已进入中试或批量生产的品种有聚3-羟基丁酸酯（PHB)、聚羟基戊酸酯(PHV)、3-羟基丁酸醋和羟基戊酸醋的共聚物(PHBV)、3-羟基丁酸酯与3-羟基己酸醋的共聚物(PHBHHX),PLA , PBS、APC、改性PVA，淀粉与PVA、PLA ,PCL的共混物等[4]。四、降解机理

降解，是指高分子聚合物材料在热、机械、光、辐射、生物及化学物质作用下，分子中化学键断裂，井由此引发的一系列材料老化、性能劣化的过程。该过程包括多种物理的和化学的协同作用。其降解机理大致可分为三类:光降解和生物降解，以及光-生物共降解[5]。

1.光降解

聚合物吸收紫外光后，发生光引发作用，光引发作用使键能减弱，长链分裂成低分子质量的碎片，在空气中进一步发生氧化，产生自由基断链反应，进一步降解能被生物分解的低分子质量的化合物。实际上光降解涉及两个主要机理：一是光氧化过程，包括氧化开始、氧化传递(链反应)及氧化终止；二是酮光分解作用，其过程常为Norrish I型和Norrish II型[6]反应。由于受光照时间、天气、地域的限制，光降解塑料属于一类不完全降解型的高分子材料，其降解速度不易控制。由式E=Nhc/λ[7]知，高分子材料在光辐照射条件下发生分解反应所需的能量与其吸收波长成反比。太阳照射到地球表面的近紫外光的波长为280-400nm。参照表1[8]给出的常见化学键的断裂能及其相应的波长范围可见，许多化学键断裂的离解能恰好在紫外光的照射能量范围内，可使高分子发生断键反应，从而发生光降解。

表1 常见化学键的断裂能

2.生物降解

生物降解塑料的降解机理主要是通过各种细菌及酶将高分子材料分解成二氧化碳、水、蜂巢状的多孔材料和低分子的盐类，它们可被植物用于光合作用，不会对环境造成污染。生物降解颦料的降解过程一般分为两步[9]: 第一步是填充在其中的淀粉被真菌、细菌等微生物侵袭,渐渐消失，在聚合物中形成多孔破坏结构,增大了聚合物的表面积；第二步是剩下的高分子聚合物在细菌和酶的作用下进一步发生各种分解反应，使分子链断裂成低分子量碎片，达到被微生物代谢的程度。

3.光-生物降解

光一生物降解双降解塑料具有光降解性和生物降解性的协同效应，是一种降解比较完全的理想可降解塑料。它的特点是先使聚烯烃地膜发生光降解，大分子链迅速断裂，分子链迅速降低，然后发生生物降解。光—生物共降解塑料大多是聚烯烃类塑料，在其成分中添加适量的光敏剂、生物降解剂，促进氧化剂和降解控制剂，包括稳定型、促进型控制剂和生物降解增敏剂等。这类降解塑料可分为两大类，一类为淀粉添加型光-生物降解塑料，另一类采用金属整合物作光敏剂，其光降解产物最终能被微生物降解[10]。光—生物降解塑料实际上是光降解塑料的改进型，其应用领域与光降解塑料大体相同。

四、发展前景

在低碳经济时代, 随着石油产品的价格上涨, 人们环保意识的提高及各政策的支持与贯彻实施, 各种环境友好型材料在市场上具有广阔的前景。但是近30 年来，可降解塑料的市场需求虽广，但却因成本、实用性等问题而受到质疑[11]。因此，可降解塑料走过了艰难而曲折的路程。随着科学的发展、技术的完善，以及深入人心的环保观念，我们相信，可降解塑料技术将会获得广泛的开发和应用，从而改变我们的生活。