生物降解高分子材料
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生物降解高分子材料
2020年5月26日星期二
Biblioteka Baidu
高分子降解性概念
▪ 降解性概念(生物降解塑料的概念)
(生物)降解塑料是在特定的环境条件下， 其化学结构发生显著变化并造成某些性能 下降能被生物体侵蚀或代谢而降解的材料 。
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。
▪ 生物物理作用 微生物侵蚀高分子后由于细胞的增大致使高
分子材料发生机械性破坏。
降解高分子材料的分类
•按降解机理分 类
▪ 光降解高分子 ▪ 光—生物降解高分子 ▪ 水降解高分子 ▪ 生物降解高分子
生物降解高分子
▪ 完全生物降解高分子(biodegradable) ▪ 完全生物降解高分子指在微生物作用下，在一定
选择适宜的单体和催化体系，经化学合成的方法制 得可生物降解塑料，在这些塑料中，脂肪族聚酯、聚乙 烯醇（PVA）和聚乙二醇等是代表产物。人们利用这些 塑料易生物降解的特性对其进行深入、广泛的研究与开 发。其中对脂肪族聚酯的研究尤为引人注目。
脂肪族聚酯可以被脂肪酶水解成小分子，然后再进 一步被微生物同化。在众多的脂肪族聚酯中，聚已内酯 （PCL）应用较广。
高分子结构与降解性关系
▪ 具有侧链的化合物难降解，直链高分子比支 链高分子交联高分子易于降解。比较相对分子质 量范围为170~620的线性和支链性碳氢聚合物发 现支链性聚合物的真菌生长速度明显小于线性聚 合物。？？
▪ 柔软的链结构容易被生物降解，有规晶态结 构阻碍生物降解，所以聚合物的无定形区总比结 晶区域先降解，脂肪族的聚酯较容易生物降解， 而像PET等硬链的芳香族聚酯则是生物惰性的。 主链柔顺性越大，降解速度也越大。在塑料制品 生产中添加的增塑剂也对塑料的生物降解性产生 影响。
降解特性的组分，当其制品消费后，经一定时间
可生物降解组分降解，至使其制品丧失力学性能
与形状，以很小的粒子或碎片分散在自然界，避
免造成宏观污染，但微观上的影响依然存在。由
于生物破坏性塑料可以沿用通用塑料的加工工艺
和设备，其生产成本较低，仍然有一定的消费市
场。但是它不能从根本上解决“白色污染”。
降解高分子材料的分类
按降解高分子的组成和结构分类 ▪ 掺混型
掺混型是指在普通高分子中加入可降 解的物质或可促进降解的物质制得的降解 高分子。 ▪ 结构型
结构型是指本身具有降解结构的高分 子。
高分子材料的生物降解性与其结构有 很大关系，高分子的形态、形状、相对分 子质量、氢键、取代基、分子链刚性、对 称性等均会影响其生物降解性。一般情况 下只有极性高分子材料才能与酶相黏附， 并很好地亲和。因此具有极性是高分子材 料生物降解的必要条件。
▪ 具有不饱和结构的化合物难降解，脂肪族高 分子比芳香族高分子易于生物降解。
▪
相对分子质量对生物降解性也有很大影响。由于许
多由微生物参与的聚合物降解都是由端基开始的，高相
对分子质量的聚合物因端基数目少，降解速度较低。
▪
宽相对分子质量分布的聚合物，低聚物比高聚物易
于降解。
▪
非晶态聚合物比晶态的较易进行生物降解。低熔点
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。
常见高分子主链的降解性
高分子降解理论
•生物降解
•高分子降解
•化学降解
•物理化学降解
•环境降解
•微生物酶作用降 解
•氧化降解 •臭氧降解 •加水降解
•热降解 •光降解 •放射线降解 •超声波降解 •机械降解
•以上三大降解的综合
降解形式
▪ 无规断链 ▪ 解聚 ▪ 弱键分解 ▪ 取代基的脱除
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，其在塑 料材料领域中有着广阔的前景。
▪ （２） 天然的完全可生物降解的高分子
▪ （３） 用生物发酵技术合成的完全生物降解塑料
微生物在新陈代谢过程中，在合成蛋白质、核酸和 多糖等大分子物质的同时, 在细胞内还贮存聚酯—聚b 羟基丁酸酯（PHB）。这是一种塑料样的可生物降解的 高分子材料。
▪
生物破坏性塑料是一种不能完全生物降解
塑料。其研究重点是在通用塑料中混入具有生物
时间内完全分解为CO2和H2O的化合物。如聚 羟基丁酸酯（PHB），聚环己内酯（PCL）。 ▪ 生物破坏性高分子(biodestructible or biodisintegrable) ▪ 指在微生物作用下，高分子仅能被分解为散乱碎 片。如淀粉添加的聚苯乙烯（PS）、聚烯烃。
▪ （１） 化学合成的完全生物降解塑料
2020年5月26日星期二
Biblioteka Baidu
高分子降解性概念
▪ 降解性概念(生物降解塑料的概念)
(生物)降解塑料是在特定的环境条件下， 其化学结构发生显著变化并造成某些性能 下降能被生物体侵蚀或代谢而降解的材料 。
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。
▪ 生物物理作用 微生物侵蚀高分子后由于细胞的增大致使高
分子材料发生机械性破坏。
降解高分子材料的分类
•按降解机理分 类
▪ 光降解高分子 ▪ 光—生物降解高分子 ▪ 水降解高分子 ▪ 生物降解高分子
生物降解高分子
▪ 完全生物降解高分子(biodegradable) ▪ 完全生物降解高分子指在微生物作用下，在一定
选择适宜的单体和催化体系，经化学合成的方法制 得可生物降解塑料，在这些塑料中，脂肪族聚酯、聚乙 烯醇（PVA）和聚乙二醇等是代表产物。人们利用这些 塑料易生物降解的特性对其进行深入、广泛的研究与开 发。其中对脂肪族聚酯的研究尤为引人注目。
脂肪族聚酯可以被脂肪酶水解成小分子，然后再进 一步被微生物同化。在众多的脂肪族聚酯中，聚已内酯 （PCL）应用较广。
高分子结构与降解性关系
▪ 具有侧链的化合物难降解，直链高分子比支 链高分子交联高分子易于降解。比较相对分子质 量范围为170~620的线性和支链性碳氢聚合物发 现支链性聚合物的真菌生长速度明显小于线性聚 合物。？？
▪ 柔软的链结构容易被生物降解，有规晶态结 构阻碍生物降解，所以聚合物的无定形区总比结 晶区域先降解，脂肪族的聚酯较容易生物降解， 而像PET等硬链的芳香族聚酯则是生物惰性的。 主链柔顺性越大，降解速度也越大。在塑料制品 生产中添加的增塑剂也对塑料的生物降解性产生 影响。
降解特性的组分，当其制品消费后，经一定时间
可生物降解组分降解，至使其制品丧失力学性能
与形状，以很小的粒子或碎片分散在自然界，避
免造成宏观污染，但微观上的影响依然存在。由
于生物破坏性塑料可以沿用通用塑料的加工工艺
和设备，其生产成本较低，仍然有一定的消费市
场。但是它不能从根本上解决“白色污染”。
降解高分子材料的分类
按降解高分子的组成和结构分类 ▪ 掺混型
掺混型是指在普通高分子中加入可降 解的物质或可促进降解的物质制得的降解 高分子。 ▪ 结构型
结构型是指本身具有降解结构的高分 子。
高分子材料的生物降解性与其结构有 很大关系，高分子的形态、形状、相对分 子质量、氢键、取代基、分子链刚性、对 称性等均会影响其生物降解性。一般情况 下只有极性高分子材料才能与酶相黏附， 并很好地亲和。因此具有极性是高分子材 料生物降解的必要条件。
▪ 具有不饱和结构的化合物难降解，脂肪族高 分子比芳香族高分子易于生物降解。
▪
相对分子质量对生物降解性也有很大影响。由于许
多由微生物参与的聚合物降解都是由端基开始的，高相
对分子质量的聚合物因端基数目少，降解速度较低。
▪
宽相对分子质量分布的聚合物，低聚物比高聚物易
于降解。
▪
非晶态聚合物比晶态的较易进行生物降解。低熔点
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。
常见高分子主链的降解性
高分子降解理论
•生物降解
•高分子降解
•化学降解
•物理化学降解
•环境降解
•微生物酶作用降 解
•氧化降解 •臭氧降解 •加水降解
•热降解 •光降解 •放射线降解 •超声波降解 •机械降解
•以上三大降解的综合
降解形式
▪ 无规断链 ▪ 解聚 ▪ 弱键分解 ▪ 取代基的脱除
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，其在塑 料材料领域中有着广阔的前景。
▪ （２） 天然的完全可生物降解的高分子
▪ （３） 用生物发酵技术合成的完全生物降解塑料
微生物在新陈代谢过程中，在合成蛋白质、核酸和 多糖等大分子物质的同时, 在细胞内还贮存聚酯—聚b 羟基丁酸酯（PHB）。这是一种塑料样的可生物降解的 高分子材料。
▪
生物破坏性塑料是一种不能完全生物降解
塑料。其研究重点是在通用塑料中混入具有生物
时间内完全分解为CO2和H2O的化合物。如聚 羟基丁酸酯（PHB），聚环己内酯（PCL）。 ▪ 生物破坏性高分子(biodestructible or biodisintegrable) ▪ 指在微生物作用下，高分子仅能被分解为散乱碎 片。如淀粉添加的聚苯乙烯（PS）、聚烯烃。
▪ （１） 化学合成的完全生物降解塑料