可持续发展的高分子材料

1、“可持续发展”的高分子材料浅析 作者：黄鹏学号：PB10206252单位：中国科学技术大学高分子科学与工程系2010级本科班 2011-6-15一、引言高分子科学在其发展初期并没有遇到诸如“白色污染”，资源紧张的问题；但 随着这门新兴学科的发展，其所面临的问题也接踵而全。科学家们不再单一的以 高分子产品的性能衡量一种材料的好坏，而是要综合考虑产品的各种生产成本， 对环境的友好度等等各方面因数，这在民用高分子材料中表现的越来越明显。面 对环境污染，石油资源日益紧张的局面，高分子科学又该如何“可持续发展”呢？二、可降解高分子材料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

2、短缺。目前，世界塑料的总产量已超过1. 4亿吨每年，废弃塑料大约4000万 吨每年，且每年正以惊人的速度增加。这些废弃物大多来源于包装材料、农用地 膜、医用材料等，由于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。过去对废旧塑料的处理办法主要是土埋和焚烧。土埋浪 费大量的土地，一些人口密度高的国家难以承受；焚烧则会产生大量的二氧化碳 及其他对人有害的含氮、硫等的化合物，助长了温室效应及酸雨的形成。为解决 上述问题，各国正利用法律手段和技术进步，一方面对废旧塑料进行回收再利用， 另一方面研究开发可自然降解的新材料。高分子材料的回收利用，从理论上讲， 既可以解决环境污染

3、又可以解决资源短缺的问题，但在实施过程中，往往受到高 分子材料本身性质、技术及成本等的限制，实际应用效果相当有限；而研究开发 可降解的高分子材料则成为20世纪7O年代以来的重要课题，受到世界范围内的 关注如今谈到可降解高分子材料，大家都不陌生。一次性的可降解餐盒，可降解 的包装袋都可以买到。与传统的高分子材料相比可降解高分子材料具有易降解， 对环境污染小，毒害性小，天然环保的优点。但是我们也看到可降解高分子材料 的应用还很有限，大范围使用也并没有普及。其原因是多方面的。一方面，可降解高分子材料比传统难降解高分子材料成 本高出25倍，这使得不少想为环保做点儿贡献的企业与消费者望而却步；另一 方面

4、，可降解高分子材料的性能有待提高，与传统高分子材料相比性能上稍逊一 筹；三是多消耗粮食；四是使用可降解高分子材料制品仍不能完全消除“视觉污 染”；五是由于技术方面的原因，使用可降解高分子材料制品不能彻底解决对环境 的“潜在危害”；六是可降解高分子材料制品由于含有特殊的添加剂而难以回收利 用。再加上一些其他的原因，可降解高分子材料的道路走得举步维艰。那么我们为什么要走可降解高分子材料的道路呢？原因也是多方面的。一方面，迫于环境压力，传统难降解高分子材料不加处 理废弃在自然环境中需要长达几百年的时间才可完全降解，而新型的可降解高分 子材料一般几个月就可以降解的较为完全，这就说明可降解高分子材料对环

5、境的 危害小得多，也应该更为环保；另一方面，可降解高分子材料的原材料大多是从 粮食，植物中提取的单体，其聚合资源是相当丰富的，与在不久的将来要耗尽的 石油资源相比，可以说是有取之不尽，用之不竭的聚合资源。1、可降解高分子材料可降解的原理总的来说都是通过降低高分子材料在自然环境中的稳定性来达到降解的目 的。具体的来讲，目前主要有三种方法。第一，生物降解高分子材料。学术上生物降解高分子是指在一定环境条件下 和一定时间内由于微生物（例如：细菌、酵母等）的作用而发生降解反应的高分子。 具体的来讲生物可降解高分子材料在环境中要经历这样几个过程才最终被降解： 大分子量聚合物一小分子量聚合物f有机中间产物（

6、在氧气作用下）一二氧化碳+ 水+能量f供细胞呼吸、生长、分裂。一般意义上的生物降解高分子是一类在自然 环境条件下可为微生物作用而引起降解的高分子。高分子材料在一定的环境中降解一般要经历上述的一些阶段，各个阶段有其 独特的特征，因而评价方法也不同。常用的评价方法有以下4种：（1）生物降解过程中塑料质量的减少量；（2）生物降解过程中氧的消耗量；（3）生物降解过程中二氧化碳的生成量；（4）生物降解生成物的积存量。国际标准有ISODIS 14851（氧消耗量测定法），ISODIS14852（释放二氧化碳量 分析法），国内有HJBz01296等标准，这些标准可以满意地解决各种聚合物降 解所产生的问题，但

7、是这些标准只能通过聚合物的物理特性变化来表征微生物的 作用，还不能从微观角度揭示微生物的作用，仍需要进一步补充和完善。第二，光降解高分子材料。在制备塑料时，向塑料基体中加入光敏剂，在光 照条件下就可诱发光降解反应。此类塑料称为光降解塑料。光降解引发剂有很多种，可以是过渡金属的各种化合物，如：卤化物、乙酰 基丙酮酸盐、二硫代氪基甲酸盐、脂肪酸盐、羟基化合物、多核芳香族化台物、 酯（例如：磷酸酯），以及其它一些聚合物。引发剂可以在吹出薄膜或挤出前混合 于高聚物中，也可以以印墨形式涂于薄膜表面。这种方法以简单的方式制得具有 不同使用期限的降解膜，颇具应用价值。改变Ni、Co等稳定二硫代氨基甲酸盐和F

8、e、Cu等二硫代氪基甲酸盐的比例 就可以得到不同寿命的降解高分子材料。此外联二茂铁也可以引发光降解反应， 该薄膜的降解速度与光敏剂含量有关，在自然条件下测试得出光敏剂含量与薄膜 降解速度的曲线，然后可以根据该材料的使用期限选择适当的用量。除了以上光降解高分子以外，还有一类重要的合成光降解高分子，其制备方 法是通过共聚反应在高分子链上引入羰基型感光基团而赋予光降解特性，光降解 活性的控制是依靠改变羰基基团含量来实现的。工业化的有乙烯一乙烯酮共聚物 和乙烯一 CO共聚物。第三，光和生物双降解材料。光一生物降解高分子材料由于具有光、生物双 降解功能，所以成为目前的开发热点之一。将光敏剂体系的光降解机

9、理与淀粉的 生物降解机理结合起来，一方面可以加速降解，另一方面可以利用光敏剂体系可 调的特性达到人为控制降解的目的。光降解和生物降解的结合不仅使材料的降解 可控性提高，同时还克服了单纯光降解材料在阳光不足或非光照条件下难降解的 问题，也克服了单纯淀粉塑料在非微生物环境条件下难降解的问题。国际市场上 成熟的产品有美国Ampact II和加拿大St. Lawrance公司的Ewster母料。2、可降解高分子材料举例目前可降解高分子材料中最热门的要算聚乳酸、PHB、淀粉以及由天然高分 子和化学合成可完全降解高分子的共混物了。这里主要介绍聚乳酸。聚乳酸(PLA)是一种生物原料制品，具有很好的生物降解性

10、、生物相容性和生 物可吸收性，在降解后不会遗留任何环保问题。PLA的聚合方法一般有两种。一种是以谷物为原料，在溶液中直接由乳酸聚合。其聚合工艺短，对聚合单 体的要求与普通缩聚单体的要求一致，但所得聚乳酸分子量小，且产品性能差， 易分解，实用价值小。另一种是经过环状二单体丙交酯聚合而成。不同于一般的缩聚，没有小分子 水生成，所以不需要进行抽真空排除小分子，聚合设备简单。此法所得聚乳酸分 子量高达数万乃至数百万，机械强度高。近年来，为便于工业化生产，主要集中 在开环聚合的高效催化体系，新型结构和组成的共聚物的合成等方面的研究，以 制备更高分子量的聚乳酸。新的聚合方法如直接固相聚合法也受到人们的关注

11、。聚乳酸工业发展至今已经有了很多的应用。工农业生产领域。聚乳酸生物塑料具有韧性好的特点，所以适合加工成高附 加值的薄膜，用于取代目前易破碎的农用地膜，这样可以降低对土壤的污染还可 以增加土壤的肥力。还可加工成建筑用的薄膜和绳索、纸张塑膜等。聚乳酸还可 用作土壤、沙漠绿化保水材料，如用聚乳酸包裹液态水与树一起种下，必有较好 的保水性能。还可用于水产用材，农药化肥缓释材料等。生活领域。聚乳酸对人体无毒无害(其本身就是人体无氧呼吸的产物)，所以 最适合加工成一次性饭盒以及其它各种食品、饮料外包装材料，还可用于生产仿 棉纤维以及仿羊毛、仿丝绸纤维，可单独纺丝用于生产各种织物，其纤维织物抗 皱性强，透气

12、性好，穿着舒适，非其他化纤织物可比。这正应了潮流一一自然的 才是最好的。生物医学领域。高分子量的聚乳酸在医药及医疗用品方面的应用非常广泛， 目前研制较多的产品有手术缝合线、生理卫生用品、微胶囊、植入片、骨科固定 材料、人造皮肤、人造血管以及药品缓释控制材料等。由于聚乳酸在人体内在酶 的作用下会降解，避免了病人伤口愈合拆线的痛苦，在临床医学中应用广泛。与大多数可降解高分子材料一样，限制其应用的主要是生产成本。目前国内 聚乳酸商品化生产的主要障碍是生产工艺复杂、流程长、产品成本高。要使聚乳 酸生产实现工业化，关键是要降低生产成本，特别是聚乳酸合成的成本。我国是 农业大国，盛产玉米、小麦、红薯等淀粉

13、类原料，乳酸的来源十分丰富，但现有 乳酸品种都是通用的消旋乳酸，质量达不到聚合要求，只有加大这方面的研究力 度，才能使我们的产品和国际接轨。相信在不久的将来，随着对聚乳酸合成及生产工艺研究的不断深入，生产成 本将会有较大程度的降低。聚乳酸作为生物可降解材料，在农林业、医用、食品 工业、包装等方面的应用将会越来越广泛。3、可降解高分子材料主要研究内容材料的力学性能是材料的重要指标之一。共混、疏水处理、酯化、醚化、接 枝共聚等都可以改变可降解高分子的力学性能，这也是研究的一个热点之一。、降解性及机理降解性主要通过两种方法测得：(1)通过测试材料在降解过程中断裂伸长率 的变化来评价材料的降解性；(2

14、)在微生物实验中观察基质材料的霉菌生长情况。降解机理在上面已经提到了，在此略去。降解的可控性降解的可控性是开发降解塑料的关键问题之一.必须控制可降解高分子材料 在使用期内有良好的使用性能，经过使用期后，很快发生降解。对于光降解高子 材料一般采用改变光敏剂的体系配比、用量或性质实现可控性。对于生物降解塑 料，采用堆肥的方法使其降解。而光降解和生物降解的结合更使材料降解的可控 性大大提高。三、高分子材料合成原料的可持续发展我们常把一个国家乙烯的年产量作为其化工工业发达与否的一个重要标志。 究其原因是因为乙烯是很多化工合成的原材料。而目前乙烯主要由石油裂解得到。 俗话说“巧妇难为无米之炊”，在石油资

15、源开始枯竭的今天，我们应该开始为石油 耗尽后高分子工业思考出路了。我们似乎过于依赖石油，而石油却终将耗尽。目前最好的取代石油裂解原料 的合成原料应该是天然的单体，以及天然的高分子材料。回顾高分子的发展史，我们发现，合成高分子产生于人工合成的酚醛树脂。 可以预见，其最终要走向“天然的高分子”。2003年的统计数据是全世界一年的合成高分子产量是2亿多吨。而另一个数 据是自然界每年合成1800亿吨纤维素，其也是地球上最丰富的生物大分子和重要 的可再生资源。与大自然比起来我们不得不认识到自己的渺小。有如此丰富的可 利用合成中间资源，我们当然不能白白浪费。另一方面的原料应该是生物提取的小分子单体了，当然

16、可能是需要裂解处理 的烷烃等有机小分子。最近几年生物技术和高分子科学联系越来越紧密。和传统 的以石油裂解为主的合成到多来源的化学合成，我们还有很多路要走。前不久从印度传来了好消息：当地研究人员种植了一种名为麻风树的植物， 其籽的含油量很高，有的高达80%，其应用前景非常好，既可以用来做汽车用的 柴油，也可以用来做高分子合成的裂解原料。当然我们更关心后者，如果其产量 达到一定规模，那么对环境也是一大贡献，因为其油中含硫量极低，燃烧不产生 二氧化硫等有毒气体，基本没有炭黑，性状很好。四、小结高分子学科发展历史并不长，短短数十年的时间就发展成为了当今科学界最 为活跃的学科之一，这从一个侧面说明了她的生命力。正因为年轻所以与时俱进， 学科内变革变得越来越频繁，新想法层出无穷。可持续发展着眼高分子学科的整 体发展趋势，浅显扼要的讲解了高分子发展中面临的环境保护、合成原料来源变 化等问题。水平实在有限，谨以此表达我对高分子的一点儿思考。参考文献王琳霞.生物降解高分子材料【J】.塑料科技，2002，2(1)： 147.高建平.玉米淀粉基生物降解塑料材料：J.高分子材料科学与工程，1998. 4(4