生物降解高分子材料的研究现状及应用前景

生物降解高分子材料的研究现状及应用前景摘要：本文主要论述了生物降解高分子材料定义、生产原理及生产成型种类，对生物可降解高分子材料分类进行了说明，同时以举例形式说明了生物降解高分子材料的应用市场和涉及领域，最后也点明目前工业化生产所遇到的问题以及未来的发展方向。关键词：生物降解高分子材料现状引言随着现代工业地不断发展，人工合成材料已经在我们日常生活当中有着不可替代的作用，高分子材料就是其中一种典型的材料之一，高分子材料应用范围很广阔，目前它主要被应用于生命领域、工农业领域以及航空航天领域等方面，除此之外，它也在不断潜移默化地改变我们的生活，在我们日常生活中已经占据着重要的地位。但是普通的高分子材料都存在稳定性好，难以分解的特点，让高分子材料自然分解需要上百年时间，随着生活高分子材料制品的增多，它的废弃物的回收问题也日渐严重，对生活环境造成极大的破坏性，典型的现象就有“白色污染”。所以人们不得不开发一种降解性高分子材料来替代它的这些不足之处，因为这样既能保证安全又能够解决高分子材料废弃物的回收问题。1.生物降解高分子材料的定义生物降解高分子材料是指在一定条件下，一定的时间内能被细菌、霉菌、藻类等微生物降解的高分子材料。我们也可以认为某种高分子材料能够在一定的条件，一定的时间内通过微生物的生命活动会很快降解的高分子材料，那么这种高分子材料称为生物降解高分子材料。在自然环境中的，它会在一定条件作用下经过一定的时间和一定的堆积程度能够自动降解为对环境没有破坏的小分子物质，这些物质具备可再生的特点，甚至可以参与生物的代谢循环过程而被同化吸收，成为滋养土壤的养料。2.生物降解高分子材料的分类生物降解性高分子材料根据其降解机理不同可分为生物降解高分子材料和光-生物双重降解高分子材料。而在近几年的科研方向中具有光-生物双重降解特性的高分子材料也成为重点的开发指向，因为它具备的独特分解性能可以更好推广应用，而降低生产成本就是目前所研究的侧重点，它是目前主要的研究开发侧重点和今后庞大市场领域中发展指向和重要支柱。3.影响材料降解性能的因素3.1环境因素影响生物降解性高分子材料的重要因素是环境因素。因为只有当在足够的环境因素条件下，微生物才能够存活，才具备生物降解的功能，而影响生物降解高分子材料性能的因素有温度、湿度、PH值和光能等条件，因此，只有在适合的环境因素条件下，微生物才能够存活在高分子材料上，继而才能够破坏高分子材料的性能。3.2高分子材料聚合物的结构高分子材料聚合物的结构直接影响了材料生物降解的快慢和程度的高低。高聚物的结构相当复杂，它并不是由无数个小分子简单组成的，而是键位结合，不同的键位结合方式又会直接影响材料本身的特性，而降解性能的好坏也取决于键位构成的不同，所以确定材料工成型工艺的根本来源是它们的结构与性能的之间的联系。4.生物降解高分子材料成型分类我们知道如果一种高分子材料能在一定的时间内通过自然条件会很快降解的高分子材料，也就是能化学键位稳定性能不是特别高，能够随着时间的推移而改变的，那么这种高分子材料称为生物降解高分子材料。天然高分子材料的物理或化学改性的根本来源主要是通过对天然高分子的共聚或共混获得有价值的可生物降解材料，如国外开发了乳化性、成模性及致密性良好的定粉衍生物作为卡氮介微胶囊的壁材。生物降解是一个很复杂的过程，科学家对目前关于生物降解的理论进行研究归纳以及综述，对10种不同的计算模型进行了比较。按照其合成方法可分为微生物生产型、合成高分子型、天然高分子型以及掺和型等。4.1微生物生产型在自然生物界中，如果某种微生物能够通过生命活动合成高分子，那么该种微生物具备微生物生产功能。这类微生物生产型高分子主要由微生物多糖和微生物聚酯组成，是我能常见的种类，不需要后期工业加工制备，同时它可具备完全生物降解性能。4.2合成高分子型合成高分子型指在分子结构中引入芳香族聚酯和脂肪族聚酯形成一定结构的共聚物。当前市场上占据主导位置的种类有聚乳酸（PLA）和聚已内酯（PCL）作为新型生物降解的医用高分子聚合物。PCL,PLA作为柔性链段，可制备生物降解性PU弹性体。PLA具有优良的可生物降解性，是常见的生产材料之一，它是热塑性聚合物，拥有比较高的模量和强度。此外，它还具有较高的拉伸强度和压缩模量，可是唯一不足的一点，它的柔韧性比较差，缺乏柔性和弹性，特别容易受力而导致材料发生形变。PLA应用于临床骨科中、药物缓稀系统和应用于手术缝合线以及骨折固定材料中。PLA在工业中的生产合成主要采取直接缩聚方法、丙交酯开环聚合方法。新的聚合方法如直接固相聚合法也受到人们的关注。PCL具有优越的热塑功能、柔韧功能、且还具备形状记忆功能和容易加工成型的优良性能，且它也是一种半结晶性聚合物，另外，它还具有药物的透过性和生物的相容性以及降解性等许多优点，最重要的是，PCL与大分子淀粉等粉状生物大分子共同混合生产，可以生产出一种可完全降解的生物降解合成物。因此，它被广泛应用于生物降解性控制稀载体的相关领域中，如矫正器、胶带和绷带等。天然高分子型4.3在自然界中，也是普遍存在天然的高分子材料，而在这当中可被微生物完全降解的高分子材料称为天然高分子材料。其实，在古代的时候，人们就已经开始利用天然高分子作为生活工具来进行他们的日常生活习作，他们把天然高分子制成塑料和化学纤维来满足生活的需要。除此之外，天然高分子材料也是自然界和矿物界中由生化作用和光合作用而形成的高分子材料，它们几乎都在动植物体内中生存。4.4掺和型将一种有降解的高分子材料与没有降解的高分子材料混合应用现在工业合成生产技术生产制备出的材料，从而使这类材料有了一定程度的生物降解性，这种合成材料的降解性能可以通过两种原材料的混合比来调节高低，最终来获取掺和型生物降解性高分子材料。合成后的产品广泛应用于垃圾袋、一次性食品容器和医疗设备等。4.5光-生物双重降解性材料光-生物双重降解高分子材料具备了光-生物双重降解功能，它已达到较完全降解高分子材料的目的，它是目前广阔市场的主要开发热点之一。光-生物降解高分子材料可分为淀粉型和非淀粉型两种类型的高分子材料。开发光降解性高分子材料的目的是为了解决由于废塑料造成的环境污染问题，光降解性高分子材料的技术也相对比较中等，但是它很容易在日光照耀下产生降解，同时，光降解高分子材料处理的垃圾也不能够得到有效的处理和及时的降解，所以导致它的应用和发展受到了限制，因此，在目前情况看来，我国会不断加强对于光-生物双重降解高分子材料的研究力度以及进一步剖析了解其降解性能影响因素从而降低工业生产技术上的难度和生产成本。光-生物双重降解性高分子材料的降解效率很高、对环境造成的污染较小、安全性较高、实施成本较低，所以光-生物双重降解高分子材料的使用前景较为宽阔，是目前降解性高分子材料的重要研讨开发对象之一。4.6淀粉型光-生物降解材料淀粉型光-生物降解性高分子材料具备耐酸、耐热、耐绝缘的优点，但同时它也存在着许多缺点，例如，它的耐水性、可加工性以及它的一些力学性能都很差。关于如何改善它的这些不足之处的问题上，许多科学家专门在这方面进行了大量的钻研任务，最后经过研究发现，要想明显改善淀粉型光-生物降解高分子材料的受力性能和加工的简易性，我们可以材料生产过程中稍微做下改变，在淀粉型光-生物降解高分子材料中加入一种流动性能较好的PVA材料，因为这样就可以从根本上解决了它的不足之处。事实上，由意大利Novamonte公司开发的淀粉-变性PVA等共混物（Mater-Bi)已经商品化。4.7非淀粉型光-生物降解高分子材料非淀粉型光-生物降解高分子材料作为一种新型复合材料，其性能也是极其优良，且生产成本比较低，现在主要研究方向在光-生物降解PE地膜，大量应用于农业生产、工业生产领域中。应用试验表明，采用复合光敏剂和添加改性淀粉的方法制成的农用聚乙烯薄膜，不但具备光和生物双重降解性，并且还具有良好的力学功能，另外还可以控制它的降解诱导期。5应用前景及领域5.1医学应用领域生物降解高分子材料在医药领域上的一重要应用是药物控制释放，为了控制药物的释放速率，我们可以用生物可降解性高分子材料制成的药物来控制它的释放系统。如凝胶控制释放、微球和微胶囊控制释放、靶向控制释放等等，这些都是定向操作系统，传统方式使得其释放速率过低可能会导致药物不能更好的释放和利用率偏低，导致人体恢复速度慢，如果用生物降解高分子材料作为主要载体来放入人体体内，当载体药物稀释完后不需要将其从人体内取出来，所以这样既可以大大减轻病人的痛苦，又能够降低危害性。例如我们生病时所服用的胶囊就是由生物降解高分子材料制成的，目前最理想的情况是，药物能在适当的地方，适当的时间加以释放，可以从根本目的上满足生理的需求。生物降解高分子材料在医学方面的运用中还可以作为骨内固定装置。它即可用于术后人体机体恢复起于固定作用的降解高分子材料，例如骨螺丝、骨夹板等,还可以应用于手术后组织和器官再生、愈合时起保护、定型作用的材料，这种材料降解的时间周期比较长，能更好的在组织细胞愈合过程中保护愈合时不再受创，材料会在组织细胞愈合后自动降解，但这项技术还存在一些不足之处，目前正在进行临床研究的阶段。当然，生物降解高分子材料在医学方面的应用还包含很多常见的医学技术，例如外科手术中的缝合线、手术中组织修复以及伤口处理的敷料等。5.2农业方面生物降解高分子材料在我国的第二大应用领域就是在农业生产领域中。由于我国是农业生产的大国，但是农业生产技术还没全面进入机械化生产的情况下，每年所消耗的农用地膜、保鲜膜和农用薄膜都是很大。据数据统计，在2008年我国用于农作物地膜覆盖面积就已经达到9.4万平方米，而地膜生产也达78万吨，化肥的包装袋更加是高达58万吨这么大的一个生产量也是导致我国环境不断受到污染的原因之一，同时也是对于高分子材料的的一种浪费行为。所以近年来科学家研发出了壳聚糖塑料降解地膜，由于它的成本低、污染小以及强度大，所以可用于生物降解，而且降解后的产物对土壤有一定的改良效果。可生物降解高分子材料可在适当的条件下经有机降解过程成为混合肥料,或与有机废物混合堆肥,特别是用甲壳素/壳聚糖制备的生物降解高分子材料或含有甲壳素/壳聚糖的生物降解高分子材料,其降解产物不但有利于植物生长,还可改良土壤环境。5.3包装材料高分子材料在包装上的应用及其的普遍，据数据统计，我国高分子材料应用于包装上的材料在已高达620万吨，但是这其中又有近40%是没有回收利用，这些没有回收利用的主要是一些一次性用品或未能及时回收就被废弃于生态中的包装材料，例如食品包装、货运包装、礼品包装等，而这些包装材料基本都是一次性用品，常见的就有食品快餐饭盒、一次性杯子、零食包装袋等，这些一般使用过之后大多数都是废弃于街道、郊区或野外当中，对生态环境造成恶劣的影响，这也是造成白色污染的主要原因，对于包装材料这方面来说，人们主要着力于研究可完全生物降解的高分子材料来代替目前使用的非生物降解的高分子材料，从而在根本上减轻对环境造成污染问题。此外，它也是目前市场上生物降解性高分子材料应用最广泛，开发最早的一项高分子材料。同时，它也是庞大的一次性餐饮饭盒的市场需求的巨大来源。而从可降解材料普遍推广与包装行业后，现在研究生产的种类主要有有各类的包装袋、食品袋、一次性餐具、一次性饮料杯等。因此，生物降解性高分子材料在包装和餐饮行业的市场需求量中显得特别突出，这也是我们要提倡和去推广的方向，但是目前有些餐饮店以及生产公司为了节约成本仍然使用不可降解的包装材料、包装盒等，要从根本上解决这问题还是要依靠国家监管部门严格查办生产不合格的生产企业，从源头上治理生物可降解高分子材料包装的问题。5.4金属材料的应用随着科技的不断进步，生物降解高分子材料还可以与金属、以及金属合金结合使用。铁元素是人体中的一种微量营养元素，在一些酶和血红蛋白中都含有铁元素，而缺铁也容易引发人体的不适和疾病，因此，科学家也把铁于可降解高分子材料结合使用生产出金属复合材料，因为其降解性，在进入人体后可以快速降解，而铁元素则会扩散于体内，这也是一种医用方面的隐性可生物降解性金属材料，当然这金属复合材料还有其他应用的领域。而镁元素也是一种金属基生物医用材料，它在人体内的正常含量为30g，是人体骨骼生长的重要元素，至少有一半还存在于骨骼中，这也可以应用目前的技术结合市场镁复合生物可降解材料。当然，也可普遍应用于其他种类的金属上，也可多种金属材料复合生产，这项技术目前也还在研究推荐阶段。结束语在我国，生物降解性高分子材料对于发达国家来说还是有很大差距的，因为它的技术配套标准化程度比较低，各类生产技术和标准还需要进一步的改善。然而生物降解性高分子材料的潜在市场还是很大的。相信不久的将来目前所遇到的技术和生产问题也会一一解决，为我国的经济发展以及生态环境做出贡献。参考文献：[1]王景昌,袁浩琪,王文焕,等.超临界CO2中合成医用生物可降解高分子材料的研究进展[J].化工新型材料,2017(9):20-22.[2]李闯.可生物降解高分子材料的分类及应用研究[J].橡塑技术与装备,2016(14):62-63.[3]桂红.浅析对生物降解高分子材料的研究[J].山东工业技术,2017(16):246-246.[4]李延垒.生物降解高分子材料分析及应用研究[J].化工管理,2016(16):85-86.[5]滕