生物降解高分子材料分析及应用研究

李延垒（河南质量工程职业学院， 河南 平顶山 467000）



生物降解高分子材料分析及应用研究

李延垒（河南质量工程职业学院， 河南 平顶山 467000）

摘要：随着社会的进步，高分子材料在日常生活中的各个方面越来越被广泛的使用，同时也造成了一定的资源浪费和环境污染。因此，开发新型环境友好型的生物降解材料显得尤其重要，并在世界范围内掀起了一股热潮。本文综述了生物降解高分子的降解机理，着重介绍生物降解高分子材料的分类和研究应用进展。

关键词：生物降解；高分子材料；降解机理

0 引言

如今，高分子材料的使用量在某种意义上已经成为衡量一个国家工业化程度和人民生活水平的重要标志。随着一些高分子材料的飞速发展，对人们的生活方面的影响越来越大，高分子材料给人类的日常生活带来了很大的便利，使得生活质量得到很大的提高。但是，由于大量使用高分子材料后而产生了非常多的塑料废弃物，这些废弃物在处理起来是一件非常棘手的问题，严重威胁着人类的生存环境，给自然环境带来不可磨灭的负面影响。

目前对于塑料垃圾的处理方法非常有限，而且由于这些方法带来的二次污染问题还没有得到有效的解决。通用的处理手段有：填埋、焚烧和回收再利用。填埋法是经常使用的一种处理方法，这种方法也有一定的弊端，比如说由于填埋需要，大量的土地被用来进行填埋塑料垃圾，造成土壤的浪费，而且使得土壤的肥力下降，持续劣化；在对塑料垃圾进行焚烧处理可以获得很好的效果，但是同时容易产生有毒有害气体，造成二次污染。另外对塑料垃圾的回收再利用的难度非常大，花费的成本也比较高，进行回收处理也无法达到令人满意的效果。从我国的具体国情来看，对塑料垃圾进行焚烧和填埋的方法并不是十分明智的选择，最好的途径就是从原材料下手，改变材料的类型，加大对环境可降解的高分子材料的开发力度，这样才能从根本上解决问题。

1 生物降解高分子定义和降解机理

一般来说，生物降解高分子材料不需要光、热和水等条件，而仅仅依靠微生物作用就能够发生一系列的物理化学反应，最终生成CO2和H2O，所有的生成物都能够被环境完全吸收，不会对环境造成污染，从而减少了对人类的危害。目前对于可降解高分子材料的研究越来越深入，对其概念也做了非常科学的定义，得到了广泛的认可和统一。按ASTM定义认为生物降解材料是指通过自然界微生物（细菌、真菌等）作用而发生降解的高分子。

生物降解的降解作用形式主要分为三种：物理作用、化学作用和酶的直接作用。物理作用指的是一些微生物细胞能够粘附在高分子材料的表面，这些细胞通过自身的增长使得材料发生机械性的损坏。化学作用主要是由于外界PH或者湿度的变化而发生了一些化学变化，产生一些新的官能团。

2 生物降解高分子材料的分类

按照材料来源和生产方法的不同，可以将生物降解高分子材料分为以下三种。

（1）微生物生产高分子 通过微生物发酵获得高分子材料。较有代表性的是英国ICI公司开发的3-羟基丁酸和3-羟基戊酸酯的共聚物（PHBV）及其衍生物（商品名为Biopol）和日本东京工业大学资源研究所开发的聚羟基丁酸酯（PHB）。这类产品具有较高的生物分解性，但由于其较高的生产成本，使得其价格非常昂贵，目前在消费中占了非常低的比重。努力开发新的工艺方法可以降低成本，是这种方法今后的发展方向。

（2）合成高分子材料 如已成为研究开发热点的聚乙烯醇和主要活跃在医用领域的聚乳酸（PLA）等，另外还有美国Union Car-bide公司以聚己内酯（PCL）为原料开发的商品名为“Tone”的产品（售价在4.4美元/kg左右）。

（3）天然高分子材料 是指用纤维素、淀粉、甲壳素、单宁和树皮等为原料合成的塑料，用这些原料制成的材料可以完全降解，对环境带来的压力几乎可以忽略不计，对于解决资源枯竭和环境污染的治理问题具有重要的意义。目前，美国、日本、奥地利和中国等国家正积极研究开发这类降解塑料，它们具有很好的完全生物降解性和透气性。

天然高分子材料虽然具有以上的优点，但是它的热力学性能相对较差，因此如何制得具有更好降解性和实用性的生物降解材料是摆在国内外研究者面前的一个重要的研究课题。

3 生物降解高分子材料的应用

20世纪80年代后，人类所面临的环境污染与能源枯竭问题越来越严峻，在这种背景下，生物降解材料逐渐发展起来，作为一种新型的环保材料，也更多的被应用于日常生活当中。随着人们生活质量的提高，相应的对生活环境提出了更高的要求，使得该产业获得的很好的发展机遇，展示出蓬勃的发展前景。根据相关分析，生物降解材料主要在以下几个领域的发展比较好，在市场中比较受欢迎。

3.1 水域环境中生物降解材料的应用

据日本有关部门对水域环境的调查结果表明，高分子材料的污染有废渔网、废弃的渔船、废的聚苯乙烯（来源于保温渔箱），由于水域环境的特殊性，决定了其不易回收、管理难度大的问题。这些废弃物不易被注意，因而其危害性也越大。

由于生物崩解性的降解材料可能产生二次污染，所以对渔网生物降解性的要求越来越高，能完全降解为C02和H2O是其发展的必然趋势。但在实际操作中，渔网的质地、性能强度与生物降解性的矛盾已成为研究开发的关键。

目前使用的渔网线材料大体可分为尼龙（PA）、聚酯（PET）和聚乙烯（PE）等。其中PA的生产和使用量是最大的，很受人们的青睐。相对而言，PE的价格虽然贵些，但其强度大，故而也很受欢迎。近来PCL的出现为生物降解材料在这一领域的应用开辟了新的途径。

3.2 容器包装材料中生物降解材料的应用

发泡聚苯乙烯、聚乙烯和聚丙烯是大多数容器包装材料中主要的化工材料，主要用于一些一次性使用的商品的包装和一些容器中，在这些物品中经常被使用到，是造成白色污染的罪魁祸首。基于这个原因，人们开始考虑用一些可降解的塑料来取代这些污染比较大的材料，这些举措有利于减少塑料垃圾对于环境的破坏，帮助我们更好的治理塑料污染带来的环境问题。如用生物降解塑料制成的各种包装袋以及各种包装容器等，废弃后可和垃圾一起被降解成肥料，给垃圾处理带来极大的方便。

在现有食品包装用材料（发泡聚苯乙烯、聚乙烯和聚丙烯）中加入淀粉、生物降解剂、生物降解促进剂、光敏剂、光敏促进剂和其他一些添加剂，可制成生物降解食品包装材料，或生物和光双降解食品包装材料，在食品包装材料中得到的广泛的使用。

3.3 玩具及体育器械中生物降解材料的应用

玩具的生产中塑料的使用已相当普遍，废弃玩具的回收在实际操作中具有很大的难度。在日本有一种称为“自由树脂”的塑料，这种塑料在60℃的温下能够展示出很好的延展性，根据这个特性可以将这些塑料捏造成各种各样的形状，制成玩具、装饰品、文具等，在冷却以后又展现出很好的硬度，有利于形状的保持，同样的再加热到60℃以后又开始变软，重新用来塑造形状。大一点的孩子或成人对于滑雪运动不会陌生，但对于滑雪板的弯曲强度和抗冲击强度与材料的关系方面了解的人可能不多。最近一些材料专家用聚酰胺纤维、碳纤维及环氧树脂作原料，采用拉挤工艺，生产出一种滑雪杖，这种滑雪杖抗冲击强度高、弯曲强度大，已经被大力开发和使用。

3.4 降解材料在医学领域的应用

随着高分子材料的飞速发展，越来越多的材料在日常生活中得到应用，其中每种材料的性质也有非常大的差别。在医学领域中材料的使用也有很长的历史，主要用于人体各种组织的修复与置换，也可以作为药物控制体系的载体材料和体内短期植入物，在这些方面的应用最多。将用生物降解高分子作为载体的长效药物植入体内，在药物释放完之后也不需要再经手术将其取出，这样可以有效的帮助患者减轻病痛，也可以达到更快的治愈。目前作为药物载体被广泛研究的生物降解性高分子有聚乳酸、乳酸一己内酯共聚物、乙交酯一丙交酯共聚物和己内酯一聚醚共聚物等脂肪族聚酯类高分子，此外还有胶原、海藻酸盐、甲壳素、纤维素衍生物等天然高聚物。这种生物降解高分子是抗癌、青光眼、心脏病、高血压、止痛以及避孕等长期服用药物的理想载体。这类材料可在生物环境作用下发生结构破坏和性能蜕变，其降解产物能通过正常的新陈代谢或被肌体吸收利用或被排出体外，主要用于送达载体及非永久性植入装置。

另外，生物降解高分子材料也可用于文体用品中的高尔夫球具、钓鱼竿和海洋、登山等野外制品等，具有很好的发展前景。

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Analysis and application of biodegradable polymer materials

Liyanlei (Henan Quality Engineering Vocational College Pingdingshan 467000)

Abstract:With the progress of society, more and more polymer materials are used, but at the same time it caused a waste of resources and environmental pollution. Therefore, biodegradable materials, development of new environmentally friendly is particularly important, set off a craze in the world. The degradation mechanism of biodegradable polymers is reviewed in this paper. The classifi cation and research progress of biodegradable polymer materials are reviewed.

Keywords:biodegradation; polymer materials; degradation mechanism