生物可降解塑料塑料的最新研究现状

生物可降解塑料的研究现状

摘要：生物可降解材料因其具有可降解的特性越来越受到人们的关注。本文主要介绍生物可降解塑料的应用背景，塑料的最新研究及其成果。其中可降解塑料包括淀粉基高分子材料、聚乳酸和PHB。

关键词：生物可降解塑料白色污染淀粉基材料聚乳酸PHB

现代材料包括金属材料、无机非金属材料和高分子材料作为现代文明三大支柱（能然、材料、信息）之一在人类的生产活动中起着越来越重要的作用。[1]传统的高分子塑料在给国民经济带来快速发展，人民生活带来巨大改变的同时也给人类的生存环境带来了巨大的破坏。当今社会“白色污染”的问题变得越来越受关注。这类塑料由于在自然环境下难以降解处理，以致造成了城市环境的视觉污染，同时由于它们不能像草木一样被生物降解，还常常引起动物误食，并造成土壤环境恶化。塑料制品在食品行业中广泛使用，高温下塑料中的增塑剂、稳定剂、抗氧化剂等助剂将渗入到食物中，会对人的肝脏、肾脏及中枢神经系统造成损害。塑料的大量使用必然会带来如何处理废弃塑料的难题。传统的塑料处理方法主要包括直接填埋、焚烧、高温炼油等方法。这些处理方法不仅对环境造成破坏，同时也对人类健康构成巨大威胁。石油、天然气等能然已面临危机，以石油为原料的塑料生产将受到很大的阻力。为了减少废弃塑料对环境的污染和缓解能然危机，多年来人们努力开发生物可降解材料，用以替代普通塑料。生物可降解塑料是指一类由自然界存在的微生物如细菌、霉菌（真菌）和藻类的作用而引起降解的塑料。理想的生物降解塑料是一种具有优良的使用性能、废弃后可被环境微生物完全分解、最终被无机化而成为自然界中碳素循环的一个组成部分的高分子材料。生物降解过程主要分为三个阶段：（1）高分子材料表面被微生物粘附；（2）微生物在高分子表面分泌的酶作用下，通过水解和氧化等反应将高分子断裂成相对分子量较低的小分子化合物；（3）微生物吸收或消化小分子化合物，经过代谢最终形成二氧化碳和水。

一、生物可降解材料的种类

按照原料组成和制造工艺不同可分为以下三种：天然高分子及其改性材料、微生物合成高分子材料和化学合成高分子材料。天然高分子中含量最丰富的资源包括纤维素、甲壳素、木质素、淀粉、各种动植物蛋白质以及多糖类等，他们具有多种官能团，可通过物理或化学的方法改性成为新材料，也可通过物理、化学及生物技术降解成单体或低聚物用作能源及化工原料。微生物合成高分子降解塑料是由生物发酵方法制的一类材料。

二、最新研究成果及其应用

2.1天然高分子及其改性材料

天然合成高分子降解塑料天然高分子大多数可以生物降解，但热学、力学性能差，不能满足工程材料的性能要求。通过对天然高分子改性可以得到能有实用价值的天然高分子降解塑料。其中天然高分子聚合物降解塑料包括淀粉、纤维素、木质素、多糖以及蛋白质等为基材的复合材料。淀粉是植物经光合作用而形成的碳水化合物，由于其来源广泛、价格低廉、降解后仍以二氧化碳和水的形式回归到自然，被认为是完全没有污染的可再生能源，以淀粉基高分子材料的塑料制品已在非食用领域得到了广泛的开发和研究。

淀粉基高分子材料包括淀粉填充塑料和完全淀粉基塑料。其中，淀粉基填充塑料主要是指以淀粉作为填充剂，与PE、PP等通用塑料共混。[2]传统的淀粉填

充材料通过挤压、注塑、吹塑、流延等方法制得，由于这些疏水性的高聚物与亲水性的淀粉没有相互作用的功能官团，因而它们之间相容性很差。通过在亲水性淀粉和非极性高分子塑料之间添加增容剂，可以增强淀粉/塑料共混体系的相容性，增强材料的机械性能。美国农业部研制的PE与淀粉的共聚物，采用乙烯-丙烯酸共聚物（EAA）作为增容剂，利用EAA中和淀粉链上的烃基起反应生成脂类，改变了淀粉的表面特性，在其表面形成了一层与聚乙烯相容性很好的表面层大，大大增加了聚乙烯与淀粉之间的结合力。[3]高建平等研究表明，在淀粉中加入多元醇，由于多元醇类具有与淀粉形同的羟基，与淀粉具有很好的相容性。随着纳米技术的发展，越来越多的研究者着力于淀粉纳米复合机材料。Evans[4]等发现淀粉能够与钠基蒙脱石、天然锂蒙脱土、季铵盐改性的锂蒙脱土分粉形成纳米复合材料，淀粉材料的模量获得提高，淀粉的耐水性也得到了改善。淀粉的化学改性是指用化学试剂来处理淀粉，处理过程中有酯化、醚化、氧化、交联等化学反应发生，使淀粉的基本结构发生改变从而达到该行的目的。在那海宁的试验中，通过先糊化、后共混、再交联的薄膜制备工艺过程，能够获得高淀粉填充量的淀粉/聚乙烯完全生物降解塑料薄膜。刘伯业的试验中，通过对大豆蛋白和淀粉进行辐照处理，一定的热压温度促使结晶区内残存的自由基移入非结晶区的分子链，从而使结晶区内部分子挣脱束缚参与交联，可以提高材料的力学性能、耐水性。在张跃峰[5]的研究中，将自制的醋酸酯淀粉（SA）和醋酸纤维（CA）溶于丙酮溶剂中，在柠檬酸三丁酯（TBC）为交联剂的作用下进行交叉克莱森酯缩合反应，制备出了淀粉基材料含量不同的可降解塑料薄膜。淀粉填充型塑料混入的塑料不具备降解性，其降解主要依靠淀粉组分的分解，并非真真意义上的降解塑料。完全淀粉基塑料是以淀粉为主体，加入适量的可降解添加剂，生产生物可降解塑料。在付秀娟等人的试验中，将该性淀粉、甘油、增容剂、增塑剂与聚乙烯醇溶液共混，在水浴沸腾中状态下糊化1h左右，制得糊化完全且分散均匀的树脂，具有透明度好，机械性能好，可用于农用薄膜及餐具。意大利的Novamont 公司生产了淀粉/聚乙烯醇共混合金，商品商标为Mater-Bi,它有三种不同产品系类。A系列基本成分是淀粉、乙稀-乙烯醇共聚物和普通的增塑剂，这类材料主要用于注射成型制品；Z系列主要是淀粉、乙稀-乙烯醇共聚物和普通的增塑剂，这类材料主要用于生产薄膜和片材。V系列主要成分是淀粉，用于生产产泡沫材料。[3]

2.2化学合成高分子材料

完全生物降解性塑料在化学方法合成时利用脂肪族聚脂、聚乙烯醇（PVA）和聚乙二醇生产容易降解。利用这些高分子易生物降解的特性对生物降解塑料进行研究开发。目前，脂肪族聚酯主链大都由脂肪族结构单元通过易水解的酯键连接而成，易被自然界中的多种微生物或动植物体内酶分解、代谢，最终生成二氧化碳和水，是生物降解材料种最具发展前景的一类高分子材料，包括聚烃基脂肪酸酯、聚已内酯、聚乳酸，以及由二元酸、二元醇制成的聚酯等。其中，以乳酸为原料生产的聚乳酸，性能优于聚乙烯、聚丙乙烯、聚苯乙烯等材料，被产业界称为21世纪最有发展前途的新型包装材料。聚乙烯以玉米、小麦、木薯等植物中的淀粉为最初原料，经过酶分解得到葡萄糖，再经过乳酸菌发酵后得到乳酸，单个乳酸分子包含一个-COOH和-OH个，多个聚乳酸分子通过-COOH和-OH间的脱水缩合反应最终得到高纯度的聚乳酸（PLA）。聚乳酸的合成主要采用直接缩聚法、丙交酯开环聚合（两部法）法。