绿色高分子材料发展

绿色高分子材料的研究进展

摘要本文介绍了绿色高分子材料的定义及分类、各种塑料再生技术及可降解高分子材料的分类和定义及其特性。

关键词绿色高分子材料塑料再生技术降解高分子材料

概述

高分子材料是指单体通过加聚反应或缩聚反应得到的聚合物而形成的材料,如各种塑料、橡胶等.随着高科技的迅猛发展,高分子材料在各行各业的应用日趋增多,据统计我国是合成高分子材料的大国,特别是农用地膜历年来居世界首位,其它塑料制品也名列前茅,而高分子材料的不可降解性和低回收利用率对环境造成的危害(白色污染)已不可低估,现已成为固体废弃物处理中的一个世界性棘手难题,因此消除白色污染,实施绿色高分子材料的循环利用迫在眉睫.绿色高分子材料是一种对环境友好的高分子材料,是一种可持续发展的生产和使用过程,它充分、合理地利用资源和能源,并把整个预防污染环境的战略持续地应用到生产全过程和产品生命周期全过程中,以减少对人类和环境的危害.其中的“绿色”就是指从高分子材料合成的源头———单体着手,选择对环境友好的单体材料及合成工艺,并且考虑合成的高分子材料对环境的相容性(即在较短的时间内自然降解或解聚)及产品的生命周期性(产品使用后的回收利用).当前消除白色污染的途径主要是降解和资源化.

1绿色高分子材料

高分子材料的绿色化主要表现在可降解性目前研究最多的是可降解塑料。所谓可降解,是指在一定的使用期内,具有与普通塑料同样的使用功能超过定期限以后其分子结构发生变化并能自动降解而被自然环境同化。可降解的高分子材料已引起世界各国的高度重视,例如日本组织了60多家大公司,成立“生物降解性塑料研究会”;美国也以几家大公司为主体,成立了“可降解塑料协会”;欧美各国还制定了相应法规,禁用或限制非降解塑料的使用。中国从20世纪80年代开始研究和开发可降解塑料制品,现已有光降解农用地膜、生物降解农用地膜、可控光降解与微生物降解农用地膜、可降解餐具等商品面世[4]。目前,根据降解方式和条件,可分下列几种类型。

1. 1光降解塑料

光降解塑料的光降解反应机理,是在太阳光的照射下引发光化学反应,使高分子化合物的链断裂和分解,从而使分子量变小。光降解塑料的制备方法有两种:一是在塑料中添加光敏化合物;二是将含羰基的光敏单体与普通聚合物单体共聚,如以乙烯基甲基酮作为光敏单体与烯烃类单体共聚,成为能迅速光降解的聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺等聚合物“可控光降解塑料”是现在研究的可控降解塑料的主体。这种特殊的可降解塑料必须能精确控制诱导期,在诱导期内,其力学性能至少能保持在80%以上,达到有效使用期后,力学性能迅速下降。这种可控光降解技术的关键是选用合适的光敏剂,这种光敏化合物应具有两重性,即在塑料聚合加工过程以及在使用有效期内,应该起抗氧化剂作用,使塑料具有适当长的诱导期并保持一定的稳定性和力学性能,过期后,又起到光解促进剂的作用。

1. 2生物降解塑料

生物降解塑料可以在细菌、酶和微生物的侵入、吸收及破坏下产生分子链的断裂,从而达到降解、崩坏的结果。生物降解塑料有两种不同的降解方式,一种称为生物降解,主要是由微生物的作用使高分子链断裂,这种降解是一种连续性的微量渐

变过程,表现的形式是塑料整体的逐渐消失,例如聚3一羟基基丁酸酯及其衍生物、醋酸纤维素等;另一种称为生物崩坏,虽也是微生物或细菌的作用,但塑料的降解过程表现为整体的崩溃,是一种突变过程,如淀粉、PE、PP、PVC、PS等共混物。

1. 2. 1天然高分子塑料

天然多糖类(如淀粉、甲壳素等)由于化学结构稳定和可加工性,在生物降解塑料中占重要地位。以淀粉为主要成分的降解塑料构成了生物降解塑料的第一大类。为了改善亲水性淀粉和憎水性树脂之间的相容性,往往加入淀粉的接枝聚合物作相容剂。目前使用最多的接枝单体有苯乙烯、丙烯睛烷基丙烯酸醋类等[5]。

1.2. 2合成降解塑料

除了天然高分子塑料外,还有一部分可完全降解的合成塑料。现在开发和研究多的有2种:微生物合成的聚羟基丁酸酯(PHB)、人工合成的脂肪族聚酯。PHB是一种可完全降解的热塑性塑料。脂肪族聚酯是由脂肪链酯类加成开环聚合而成,虽属不溶性固体,但很容易被多种微生物降解。脂肪族聚酯中研究最多的是聚ε-己内酯,分子量为4 000,熔点63℃,250℃分解,一年可完全消失。

1.3光降解-生物降解塑料

为了提高可降解塑料制品的实际降解程度,近年有人将光降解和生物解结合起来,制备光和微生物双降解塑料已取得较好的效果。目前公认的产品是聚乳酸(PLA),它由乳酸分子经羟基和机械强度高,常用于医用材料,它不仅符合医用要求,而且能被人体逐步分解吸收,有助于损伤肌体的康复。最近,穆键等报道了采用阳离子聚合法制备聚对二氧环己酮(PDX)的合成方法及其结构性能关系。PDX是继聚已内酯、聚己交酯和聚丙交酯之后,近年发展迅速的新型合成可生物降解材料。该材料毒性低,具有优良的相容性和可生物降解性,强度高,玻璃化温度低,常温下具有一定弹性,而且可溶、可熔。因此,应用前景十分看好。

2合成工艺的绿色化

我国著名高分子化学家、中科院院士冯新德认为绿色高分子合成中绿色反应应包括这样几个主要内容，一是无副产物，二是对副产物作无害处理，三是将反应条件改变为对环境无害，四是将催化剂改为对环境无害。首先，从原子经济性方面考虑，理想的原子经济反应是原料分子中的原子百分之百地转变成产物，不产生副产物或废物，实现废物的零排放。如环氧丙烷是生产聚氨酯泡沫塑料的重要原料，传统上主要采用二步反应的氯醇法，不仅使用危险的氯气，而且产生大量含氯化钙的废水，造成环境污染。国内外均在开发钛硅分子筛上催化氧化丙烯制环氧丙烷的原子经济新方法。其次，从原材料方面考虑，尽量采用无毒无害的、来源丰富的可再生资源等.研究开发了在固态熔融状态下，采用双酚 A 和碳酸二甲酯聚合生产聚碳酸酯的新技术，它取代了常规的光气台成路线，避免了有毒有害的原料和溶剂的使用。美国开发了玉米淀粉和PV A 的共混物，可用普通加工技术加工，强度与普通相近，且其分解率达到100 %。淀粉还可以非常容易的转化为葡萄糖，利用葡萄糖可以制备己二酸、邻苯二酚和对苯二酚等一系列化工原料，实现了聚合物原料单体的无害化。第三，从工艺方面考虑，尽量在温和的条件下进行反应；催化剂的绿色化以及降低溶剂和能源的需求。在高分子的合成过程中，其需要的溶剂、催化剂、能源以及其产生的副产物等对环境都具有较大的影响，其残留的有毒有害物质更可能直接危害使用者身体健康。在能量方面，可以用光、微波、辐射等来代替传统的加热引发聚合反应。徐僖等对聚合物或聚合物-单体体系超声辐射，合成了许多共聚物，例如PEO-AN、PV A-AN 等，其中