开题报告-生物降解膜

PAGE2浙江理工大学本科毕业设计（论文）开题报告班级06材料科学与工程姓名黄梦泽课题名称纳米TiO2生物降解薄膜的拉伸强度研究开题报告课题研究的意义与可行性1.1生物降解膜的介绍与国内外的发展1.2生物降解膜的应用前景本课题的研究内容2.1纳米TiO2光催化剂2.2光催化剂的催化机理2.3纳米TiO2在生物降解膜中的光催化研究2.4适应各种需求光催化生物降解膜需做的突破3.课题研究的实施方案4.参考文献成绩：答辩意见答辩组长签名：年月日系主任审核意见签名：年月日课题研究的意义与可行性当前社会资源与环境是人类在21世纪实现可持续发展所面临的重大问题，生物技术将成为解决这一问题的关键技术之一。在造成环境污染的诸多因素中，塑料废弃物造成的公害已引起了社会的广泛关注。21世纪初，我国的塑料包装材料用量很大，年用量将达到5000万吨，如果其中有30％为一次性发泡塑料，那么全国每年的废弃塑料将有1500万吨以上；全国有5亿亩土地可利用地膜，目前仅有30％的土地利用了地膜，再加上育苗钵和农副产品保鲜膜，这些塑料废弃物每年约有1000万吨；其它方面的废塑料约有1000万吨；这样每年全国废塑料总量将达到3500万吨，其污染所造成的环境压力不言而喻。如果在这些废弃塑料中有30％为可降解塑料，那么我们的环境将会得到大大的改善，据不完全统计，我国仅有100多个生产降解塑料的厂家，生产能力不到10万吨，远远赶不上市场的需求。目前世界上主要生产降解塑料的国家有美国、日本、德国、意大利、加拿大和以色列等国，品种有光降解、光-生物降解、崩坏性生物降解、完全生物降解等类型。生物降解塑料在可降解塑料中最具发展前途。世界上的生物降解塑料主要是采用脂肪族聚酯或脂肪族聚酯混合淀粉制造的，脂肪族聚酯主要包括以石油为原料合成的聚己（PCL）、聚丁烯（PBS）及共聚体，还有以可再生资源为原料生产的聚乳酸、由微生物生产的聚羟基酪酸（PHB）等。生物降解塑料被分解后，成为水和二氧化碳，因此不会对环境产生危害。最近采用聚乳酸制造生物降解塑料的技术特别引人注目，美国卡基尔·道聚合物公司已开始建设生产聚乳酸的工厂，到2001年底，年产14万吨的设备已投产；日本三菱树脂公司正在建设年产3500吨规模可降解薄膜制造设备，到2002年扩大到年产1万吨。从降解塑料应用领域分析，北美1989年降解塑料总销售量的88万吨中，其中用于包装达76万吨，包括包装袋类56万吨(其中垃圾袋47.5万吨，购物零售袋等8.5万吨)，饮料罐提环10.5万吨，其它包装9.5万吨（其中有卫生用无纺布5.5万吨，农业用2.5万吨），其它领域用4万吨。当时预测至2000年，包装用量达248万吨，无纺布为30万吨，农业用16万吨，其它26万吨。1989年-1994年，包装用年平均增长率为16.2%，无纺布为21.4%，农业用22.9%，其它领域为20.1%。1994年-2000年年平均增长率在包装方面为7.5%，无纺布方面为12.9%，农业用14.8%，其它领域17.3%。由此可见生物降解材料在当前社会被广泛运用是顺应社会发展的必然选择。在2008年，北京成功举办了令全球瞩目的第29届奥运会，北京奥运会提出了绿色奥运的理念。在2008北京奥运会上，“鸟巢”、“水立方”等一批奥运标志性场馆已成为绿色北京的象征和节能环保的样板，其中，生物降解膜被广泛的用于各种包装材料与装饰材料。其环保性能不疑为其被应用的一大亮点。在我们所说的生物降解材料其实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材料。理想的生物降解材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。“纸”是一种典型的生物降解材料，而“合成材料”则是典型的高分子材料。因此，生物降解材料是兼有“纸”和“合成材料”这两种材料性质的高分子材料。生物降解又可分为完全生物降解和破坏性生物降解两种。破坏性生物降解材料：破坏性生物降解材料当前主要包括淀粉改性（或填充）聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚氯乙烯PVC、聚苯乙烯PS等。完全生物降解材料：完全生物降解材料主要是由天然高分子（如淀粉、纤维素、甲壳质）或农副产品经微生物发酵或合成具有生物降解性的高分子制得，如热塑性淀粉材料、脂肪族聚酯、聚乳酸、淀粉/聚乙烯醇等均属这类材料。[1]根据不同用途及环境条件，进一步深化研究，并通过分子设计研究改进配方、开发准时可控性环境降解塑料已成为许多国家的重点攻关课题。经综合各种文献资料进行归纳，大体上可预测降解塑料今后的研究与开发趋向[]：积极研究开发高效价廉光敏剂等，进一步提高可控性、快速降解性和完全降解性。有利于一次性塑料废弃物的处理，同时保证获得丰富的原料来源，以天然高分子、微生物合成高分子和具有生物降解性的合成高分子为原料，开发完全生物降解塑料愈来愈受到重视。水解性塑料和可食性材料，由于具有特殊的功能和用途而受到世界瞩目，从而成为环境适性材料的又一热点。为加速降解塑料的发展，各国正致力于加速研究和建立统一的降解塑料的定义、降解机理、评价方法和标准。探索及培育能降解普通塑料的菌株，使目前广泛使用的普通塑料用后具有易降解性，以适应环保要求；同时十分重视培育可生产聚酯的生物性植物等，以降低生物降解塑料的成本，有利于推广应用。另外，四川联合大学黄旭东等对生物可降解塑料的研究，在材料合成与加工两个方面作了如下展望：其一，材料合成采用微生物合成方法制取生物降解高聚物，如建立一些新的模式与概念，利用微生物的发酵获得具有新结构的聚合物；可回收农业原料，发展高效的制备细菌聚合物的途径；使用酶催化聚合物合成新材料；使用酶的立体选择性单体，在酶的作用下进行生物高聚物的合成和改性。采用有机合成方法制备生物降解高聚物，如合成结构上类似于天然聚合物的高聚物，建立聚合物结构、形态、生物降解性能之间的关系；将内酯、环氧化合物、环状碳酸盐、酐等进行开环聚合，获得新的生物降解高聚物；对多糖进行改性获得新的可降解加工材料。其二，加工与共混开发新技术，制得生物高聚物的衍生物；采用反应性加工方法，获得多糖和可降解聚酯等新的生物降解材料；发展共挤出技术，扩大憎水性聚合物的应用；确立共混组成，使性能、生物降解性及生产成本最优；将可降解增塑剂与生物降解聚合物共混，改善后者的加工性能，获得可降解共混材料；将可降解增塑剂、填料和多糖与可降解聚酯共混，改善加工性能并降低成本；研究共混比、相容性、形态等对生物降解共混物的动力学与物理、化学性能的影响[13]。TiO2光催化生物降解膜的研究自20世纪70年代，日本东京大学的藤岛昭教授首次发现纳米TiO2的光催化特性以来[2]，纳米TiO2受到了国内外有关人士的广泛研究，并得以在许多方面应用，由于它的高效催化效应在光催化降解污染物、杀菌除臭、废水处理和净化大气等方面的优势，纳米TiO2更成为人们关注的焦点。国外从20世纪80年代中期开始，国内从20世纪9O年代开始，在这方面的实验室研究工作已取得多项成果。国外(尤其是日本)在这方面取得了较为显著的进展，日本有不少企业开发出了光催化涂料并实现了商品生产。KawabataK通过研究TiO2纳米生物降解薄膜的降解性能发现TiO2纳米生物降解薄膜是一种具有发展前景、容易制备、利用太阳光中的紫外线就可以降解污染物的薄膜[3]。而在国内研究了利用TiO2制备耐沾污性涂料[4]、具有抗菌功能的涂料[5]、净化大气环保涂料[6]等，取得了一定的进展，并且有具体的应用实例[7]。有人在路灯表面分别涂覆含有TiO2的膜料和不含TiO2的普通膜料，经一段时间观察后发现，含有纳米TiO2的部分依然清洁如新，而普通膜料的表面已严重沾污，变成黑色。由此可见，利用含有TiO2的膜料作为材料内的添增剂时，不但使材料具有净化空气、杀菌、除臭的功能，还可以使材料具有自清洗、保洁功能，节省了大量的人力、物力，使各种设施长时间保持整洁如新。通过研究了解纳米TiO2的结构特点，发现与金属粒子具有连续的能带结构不同，半导体粒子纳米TiO2具有能带结构，一般由填满电子的低能价(valenceband，VB)和空的高能导带(conductionband，CB)构成，价带和导带之间存在禁带。当用能量等于或大于TiO2禁带宽带的光照射TiO2时，TiO2半导体内的电子就会被激发从价带跃迁到导带，在价带形成空穴，导带的电子是良好的还原剂，电子能和表面吸附的氧分子反应生成超氧离子自由基(·O22-)；而价带的空穴是良好的氧化剂，有强的得电子能力，能够和表面吸附的H2O或OH-反应形成具有强氧化性的羟基自由基(·OH)，由于生成的自由基具有很强的氧化分解能力，可破坏有机物中的C-C键、C-H键、C-N键、C-O键、O-H键和N-H键，从而具有光催化降解涂层表面有害污染物。[8]由于纳米TiO2粒子的能带是不连续的，使得光生电子一空穴对有时间(其寿命一般为皮秒级)经由禁带向吸附在纳米TiO2表面的环境中的外来物种转移电荷，空穴可夺取纳米TiO2粒子表面吸附物质或溶剂中的电子而使其活化氧化，电子受体(在含有空气的水溶液中通常是氧)由于得到电子而被还原，均生成强氧化性自由基，进而发生氧化反应。与电子相比，光生空穴具有更大的反应活性。反应机理方程式为：H2O+h+→·OH+H+OH-+h+→·OHO2+e-→·02-H20+·O2-→·OOH+OH-2·OOH→O2+H2O2·OOH+H20+e-→H2O2+OH-H202+e-→·OH+OH-[9]在高能量光量子激发下进行跃迁的电子的存在状态对电子的跃迁几率影响很大。光催化反应中生成的e-／h+从吸附分子流向催化剂。对于e-／h+来说，其迁移速率和几率取决于最低能级导带和最高能级价带的位置以及吸附物质的氧化还原电位。在热力学上，光催化反应能够进行的条件是：受体电势低于半导体导带电势，供体电势高于半导体价带电势[10]。纳米TiO2光催化剂从光催化机理上分析，一方面，物质的降解速度必然与光生载流子电子和空穴的浓度有关。而纳米级的TiO2随着粒径的减小，表面原子迅速增加，光吸收效率提高，从而增加表面光生载流子的浓度；另一方面催化反应的速率与物质在催化剂上的吸附量有关，随着晶粒尺寸的减小，比表面增大，表面键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子的配位不全导致表面活性位置增多，因而与大粒径的同种材料相比，纳米材料活性更高，有利于反应物的吸附，从而增大反应几率[11]。纳米TiO2生物降解膜的光催化研究：此次研究主要为了解决由于日常生产中中的包装材料，建筑材料，农业生产塑料膜中，由于受到各种污物的污染，尤其是油性有机污染物粘附在薄膜上，不易被水冲洗干净。而通过光催化实验去研究TiO2具有明显的光催化性，而且使加入TiO2的膜稳定性能良好能催化污染物分解。使光催化的材料具有明显的自清洁作用，改善材料的去污性能，提高添加材料的附加价值。另外为了达到纳米生物降解膜的实际应用和普遍推广，还需在以下方面取得突破：①通过应用表面技术和材料合成技术，对催化剂进行表面修饰与改进，大幅提高并维持其催化活性，是今后的研究热点之一；②研究催化剂的防毒与再生技术，尽可能地延长催化剂的寿命并能通过较为简单的方法达到催化剂的再生和重复使用；③以往的研究多集中在对单一组分的降解，但纳米薄膜的污物污染通常有多种组分，因此开发对多组分污染物都有高降解率的催化剂将是很有实用价值的；④开发多功能光催化剂。TiO2光催化剂具除污、抗菌、消毒、防雾、自洁等功能，因此研制集多种功能于一身的光催化剂并拓宽其应用领域将是很有前途的一个方向；⑤研究利用日光作为光催化的光源。太阳光谱中波长在300-387nm之间的能量有1%，而且利用太阳能清洁、经济，因此利用太阳能是可行的[12]。课题所要研究的内容及实施方案初步了解光催化的原理。研究纳米TiO2生物降解膜的性能。纳米TiO2生物降解膜的拉伸性能。掌握纳米TiO2生物降解膜在生物降解方面的作用机理。实验步骤制定纳米TiO2生物降解膜含量。含纳米TiO2生物降解膜的制备。含纳米TiO2生物降解膜的性能测定 纳米TiO2生物降解膜拉伸性能测定按照国家标准GB-13022（塑料薄膜拉伸性能试验方法）进行测定。纳米TiO2生物降解膜老化实验与测定参考文献[1]梁惠刚，汪华方．氟碳涂料的应用和发展前景．中国科学院武汉文献情报中心．2009，NO.6．[2]倪玉德．含氟聚合物及含氟涂料[J]．现代涂料与涂装，2000，3(4)：29—3．[3]KawabataK．YoshimatsuH，eta1．PropertiesandcatalyticactivityofNOxreductionofalumina—titaniacatalyticpreparedbysol·gelmethod[J]．JournalofMaterialsScience．1999，34(11)：2529—2534．[4]徐瑞芬，许秀艳，付国柱．纳米TiO2在涂料中的抗菌性能研究[J]．北京化工大学学报(自然科学版)，2002，29(5)：45-48．[5]邱星林，徐安武．纳米级TiO2光催化净化大气的环保