完全生物降解塑料

简介自从高分子材料问世以来，随着石油工业的迅速发展以及社会生产力的提高，塑料产品被越来越多的应用到生产生活的各个领域，成为社会生产生活不可或缺的重要材料资源。然而，传统意义的高分子材料具有稳定性好、耐化学性、耐腐蚀性等特点，在自然环境下不易降解。由此而生的就是这些难降解塑料带来的环境污染问题。这一社会问题延展开来对自然资源与环境的影响非常广泛，与众多社会问题都有着或多或少的关联。譬如：塑料制品的难以回收利用导致了石油资源的浪费，不可降解一次性塑料制品带来的“白色污染”，焚烧，填埋塑料制品带来的大气污染与土壤污染等等。自然环境条件下生物降解塑料碳链更加容易断裂，使其易于分解为小分子聚合物，最后降解成二氧化碳和水。相对于普通聚合物塑料，可生物降解塑料的降解条件要求更低，且特定条件下可控。因此，生物降解塑料获得广大研究者的密切关注与国家的大力支持。生物降解塑料的发展不仅顺应国家“限塑令”政策的实施，同时，符合我国“可持续发展”、“绿水青山就是金山银山”的发展理念。完全降解生物塑料的种类及其发展状况完全生物降解塑料是指具有生物降解性且使用后能在自然条件下被微生物完全降解，最后分解成水和二氧化碳的生物高分子材料(如PHA、PHB、PCL等)，由于其原料来源广泛且最终降解产物对环境没有污染，所以降解塑料又被称做“绿色塑料”。可降解塑料多种多样，依据原料的组成和制备方法[1]完全生物降解塑料分为微生物合成降解塑料、化学合成降解塑料和天然高分子共混降解塑料。最近几年由于技术进步与国家的支持生物塑料得到较快发展，国内外众多生物降解塑料项目不断崛起，生物塑料走进千家万户将指日可待。

1.1微生物合成降解塑料微生物发酵法合成可降解塑料是指利用特定微生物把原料有机物作为食物，通过发酵作用合成高分子塑料。微生物合成高分子材料主要有微生物聚酯和微生物多糖，其中典型的聚羟基链烷酸(酯)(PHA)经微生物发酵法，微生物通过将葡萄糖等碳水化合物发酵制备PHA。PHA分子式：其中，R为正烷基侧链，范围从甲基至壬基，n约为700~12000，PHA材料因分子链中R基团、共聚单体、链的长短而异，分为不同的PHA。比如当R为甲基时，聚合物被称为聚β-羟丁酸(PHB)，当R基为乙基时，则称聚合物为PHV。目前，合成PHA的方法有很多，主要有[3]酶裂解法、有机溶剂萃取法、次氯酸钠分解法等。基于经济性的原因通常多选取葡萄糖和蔗糖作为PHA合成最常用的碳源，一般由植物油或脂肪酸合成PHA。1.2化学合成降解塑料利用化学法合成高分子生物降解塑料工艺多样化，可实现工业化，具有较高的研究价值。通过化学合成法生产高分子材料相比于其他方法具有灵活性与创新性等优点，通过研究天然高分子材料分子结构及官能团，采用化学合成法合成具有相似结构与官能团的高分子，使合成的高分子材料具有可降解性。通过化学法合成的聚合物主链上含有C-N，C-O等杂链使高分子易于生物降解。1.2.1聚丁二酸丁二醇酯(PBS)聚丁二酸丁二醇酯(PBS)自90年代进入材料研究领域以来，迅速成为生物降解塑料的研究热点之一。PBS是通过脂肪族二元酸、二元醇化学聚合而成，具有优异的力学性能、耐热性能和较高的热变形温度，其合成原料脂肪族二元酸不仅可以通过石油化工路线生产，也可通过可再生农作物发酵生产。以1,4-丁二醇和琥珀酸酐为原料，通过开环聚合反应合成了可生物降解的聚丁二酸丁二酯(PBS)。在原位红外光谱试验和一些文献的基础上，建立了开环聚合合成的PBS的酯化动力学模型，并获得了基本参数，为将来的工业化连续生产奠定了基础。1.2.2聚乳酸(PLA)

PLA是由可再生植物资源为起始原料经发醇生成乳酸，然后再进一步聚合而成的新型聚酯材料，性能比聚乙烯、聚丙烯等材料要优越。PLA的玻璃化转变温度和熔点较低，明显低于涤纶等材料；热稳定性好，有较好的抗溶剂性，加工方法多种多样。以PLA为原料制成的产品性能优异，除能生物降解外，具有良好的生物相容性，光泽度高、耐热性好并兼具透明性。另外，PLA还具有一定的耐菌性，阻燃性和抗紫外的能力，因此可用于医用绷带、一次性手术衣、医疗固定装置、室外装置物等方面，可谓用途十分广泛[9]。合成工艺大概可以分为:间接合成二步法、直接合成一步法。(1)间接合成二步法：该法以乳酸或乳酸酯为原料，经脱水二聚合成丙交酯，丙交酯再开环聚合，2步制得PLA。此方法工艺成熟，易控制。缺点是流程长、操作复杂、生产成本高。(2)直接缩聚法：该方法是通过乳酸分子间脱水、酯化、逐步缩聚成聚乳酸。其缺点是在反应后期，聚合物可能会降解成丙交酯，从而限制PLA相对分子量的提高。近年来，国内聚乳酸项目不断出新。1.3天然高分子共混降解塑料(淀粉基塑料)

天然高分子共混降解塑料是由淀粉、蛋白质、甲壳质、纤维素等天然高分子共混制备而成，原料来源十分丰富且由于大多数材料是生物质废弃物，所以成本较其他材料低，再加上天然高分子材料在自然环境下容易被微生物降解，而且最终分解产物为二氧化碳和水，对环境没有污染，因而日益受到科学研究人员及国家的重视。其中淀粉便是当今应用最为广泛的原料之一，它可由玉米、木薯、马铃薯等众多植物中获得，来源十分广泛，产量较高，价格低廉且由淀粉合成的高分子材料具有可降解塑料的一切性质。所以近年来，淀粉基降解塑料成为国内外研究开发最多的、应用最广的一类生物降解塑料。它的合成、改性方法也十分简单，可以通过与其它高分子共混或者与单体共聚的方式得到淀粉基降解塑料，是一类兼具经济效益与社会效益的高分子材料降解塑料存在的问题及其未来发展方向2.1发展问题虽然就目前的发展趋势来看，可降解塑料具有十分光明的发展前景。但同时也面临着巨大的挑战。可降解塑料在广泛应用于生产生活的道路上还存在着众多亟待解决的问题。

2.1.1经济效益问题由于技术不够成熟，工艺流程较为复杂，目前生产工艺所需成本较高。相对于传统石油基塑料而言价格要高几倍，因此，即使在国家强力的号召下推行“限塑令”的情况下。生物可降解塑料的推行仍会面临较大的阻碍。

2.1.2产品性能问题相对于石油基塑料，生物可降解塑料面临着各项性能较差的问题。这就导致了其应用范围较窄，虽然可以部分代替石油基塑料的应用但是并没有从根本上解决现在所面临的资源短缺、污染严重等社会问题。2.1.3降解问题生物降解塑料的降解需要特定的微生物环境，因此对其回收处理及降解后如何堆肥也是需要考虑的一个重要问题。如何控制降解条件，降解速率以及降解场地等问题逐渐变得重要起来。

2.1.4原料来源问题因为生物降解塑料的原料来源于生物资源，那么未来对于生物基资源的需求会大幅上升。那么对于当前世界所有的耕地面是否可以满足人类对原材料的需求，是否能在粮食的食用与工业化应用中间找到合理的平衡点等等都是生物降解塑料发展所面临的问题。

2.2发展方向针对上述可能出现的诸多问题。首先，我们应当解决的是原料的来源问题。依据现有的研究进展，继续着手研发利用更多更广泛的生物资源去合成可降解塑料，例如：废弃秸秆、甲壳素等；其次，继续深入研究，优化现有生产工艺，及生产流程，降低生产成本，使生物降解塑料能够大范围投入使用，使产品普遍化、大众化；最后，为了更加广泛的应用，提高材料的性能也显得尤为重要，无论是材料的复合还是材料的改性相信在未来的发展中必将占据很重要的地位。结束语在国家大力推广生物降解塑料产品的情况下，由于生物降解塑料具有独特的生物可降解性，对环境无污染，是可持续发展的绿色资源，生物塑料的前途无疑是