生物基高分子材料的研究进展

徐玉珍

（衡水市科技型中小企业技术创新资金管理中心，河北衡水 053000)

目前，生物基高分子材料的生产对象包括塑料、橡胶、涂料、黏合剂等方面，虽然在性能、价格方面都完全可以媲美传统的石化高分子材料，但在市场上生物基高分子材料的占有率远低于石化高分子材料。希望通过本文的分析和论述，为生物基高分子材料的研究和应用提供一些助力，推动更多的生物基高分子材料进入市场产生相应的经济效益和社会效益。

1 生物基产品

生物基产品是指利用农林业废弃物生产得到的环境友好类化工产品或能源，作为产品基础的原材料均为非粮食类的秸秆、林业废弃物、动物粪便等，大幅度实现了对资源的再利用，是实现可持续发展的重要研究产品。生物基产品的研究是目前国内外科技领域的前沿课题，受到众多专家学者的重视，其中微生物工程、基因工程、高分子材料工程是与之密切相连的三个发展方向。我国在有关生物基利用方面有一定的技术优势，有望率先在生物基塑料等研究方面取得竞争优势。

2 生物基高分子材料

生物基高分子材料是指原材料为生物基的高分子材料，这样的材料本身具备在微生物的帮助下进行降解的功效，这也是生物基高分子材料较石化类高分子材料更环保、绿色的关键。参与自然界降解的微生物基本是细菌、真菌等生物，它们分泌的生物酶能够将高分子材料中的大分子分解转化为小分子，从而大幅度缩减高分子材料降解所需的时间。也正是因为这种性质，使得生物基高分子材料对环境的友好程度远超石化类高分子材料，也使得生物基高分子材料更适合应用在人体内，被逐渐应用在医疗领域之中，成为医疗药剂、工具的重要组成材料。生物基高分子材料可根据生成方式划分为三种类型：微生物法合成的高分子材料、化学法合成的高分子材料、天然形成的高分子材料。其中天然形成的高分子材料多指纤维素等，这类高分子材料广泛分布于自然界中，与人体、自然界的关系密切，但在热塑性、拒水性等方面存在劣势。化学法合成的高分子材料多指以聚乙烯醇为基础开发的材料，具有优秀的耐热性、水溶性。微生物法合成的高分子材料多表现出优秀的耐热性、气体隔离性，通过化学手段改性后还能够具有更加优秀的性能。

生物基高分子材料目前的应用方向主要是环保、医疗、包装材料等。但其实当生物基高分子材料在医疗、包装材料等更多领域中代替了石化类高分子材料后，石化类高分子材料造成的环保问题自然会得到很好的缓解，所以，环保领域的应用不是主要着力点，而是最终的研究和发展目标。在医疗领域中，国内外研究人员的重点放在可被人体自然分解代谢的方向，研究成果包括生物基高分子材料制作的手术缝合线、内固定器材等，这些以生物基高分子材料为主要组成的医疗器具能够在人体内停留一段时间后被人体自然分解代谢，省去了患者拆线、拆除内固定器材的痛苦，也大幅降低了患者因为医疗器材拆除不及时而出现伤口感染现象的可能性。除此外，将生物基高分子材料应用在医疗药物中也是科研领域的重点，但技术尚不成熟，还需要更多的完善。而在包装材料领域中，生物基高分子材料中的聚乳酸是主要应用对象，聚乳酸具有较强的隔水性能、耐热性，对人体无害，不会分解出有毒有害物质污染包装内的物品，且作为垃圾被丢弃后能够在较短时间内被自然降解，而不会像传统的合成树脂包装材料那样成为固体废弃物污染源之一。

3 生物基高分子材料的研究进展

3.1 聚乳酸改性研究

聚乳酸是一种典型的生物基高分子材料，具有优秀的拉伸性能、防水性、防油性、气密性、耐热性，对人体和自然环境的友好程度都很高，但常规状态下的聚乳酸是一种硬而脆的塑料，热塑加工状态下又容易分解，合成聚乳酸的成本比较高，这三点严重影响了聚乳酸在包装材料等领域中的广泛应用。所以，研究人员尝试用多种方法对聚乳酸进行改性，改变聚乳酸在常温状态下的力学性能，改变其在热塑加工状态下易分解的性能，降低其工业合成成本。首先，添加沸点较高、难发挥的增塑剂是聚乳酸改性的方法之一，柠檬酸酯类就是常用的增塑剂，这种增塑剂安全无毒、不易挥发、相容性好，能够与较多的高分子材料相适应，且其本身能够在常温状态下保持较好的稳定性、挠曲性，是一种绿色环保的产品。用柠檬酸酯类增塑剂来改性聚乳酸能够有效提升聚乳酸的柔韧性，使聚乳酸在常温状态下表现出更优秀的力学性能，不会因外力冲击而轻易碎掉。其次，通过接枝、嵌段的方式能够有效完成对聚乳酸的改性，乙二醇聚氧乙烯醚是实验室中发现的比较好的嵌段共聚改性材料，具备优秀的生物相容性和降解速度，对人体和自然界比较友好，与聚乳酸进行共聚改性后，能够有效提高聚乳酸材料在医学领域的应用效果。

3.2 大豆基木材胶黏剂

在装饰装修行业中，木材胶黏剂是使用率较高的材料。传统的木材胶黏剂价格低廉、胶黏效果优秀，但在制备过程使用了大量的甲醛类物质，应用在室内装饰装修时会不断挥发出甲醛，对人体健康造成严重威胁。为了代替传统木材胶黏剂，研究人员应用油脂加工剩余物质脱脂豆粉作为原材料，制备大豆基胶黏剂，这种胶黏剂制备过程中不应用甲醛，安全性、环保性都远高于传统的木材胶黏剂。目前大豆基木材胶黏剂需要研究人员利用水性聚氨酯等材料进行共混改性处理，若能大幅度改进大豆基木材胶黏剂的性能，降低大豆基胶黏剂的工业生产成本，就能取代传统胶黏剂。

3.3 生物基聚氨酯的研究

聚氨酯是一种抗挠曲性、抗撕裂、耐磨的高分子材料，且是一种能够在塑料、橡胶、涂料、胶黏剂等多个领域中均能够发挥出作用效果的优秀高分子材料，是现代生产生活中不可缺失的材料之一。传统的聚氨酯通过石油或煤制备，得到的聚氨酯虽然成本低、性能优秀但难降解，且随着世界范围内的石化类能源储量下降，改变聚氨酯的提取制备源头成为科研领域的重要课题。生物基聚氨酯就是在这样的情况下进入人们视野的，聚氨酯的制备原料是多元醇和聚氰酸脂，这两种材料都可以通过生物基进行合成，它们在植物油、腰果壳液中的合成效率较高，合成得到的聚氨酯也具备相应的生态环境友好性能，且能够大幅度减少对石化类能源的依赖。能够制备多元醇的生物基有很多，大豆油、桐油、小桐子油中都能够制取多元醇，这些多元醇经过二聚化等改性处理，合成得到的聚氨酯性能不弱于传统石化类材料合成的聚氨酯。腰果壳液是腰果加工产业的废弃物，本身带有一定的黏性，经过脱羧、精馏后转化为腰果酚，这种物质是合成酚醛的可用原材料，生产得到的涂料、胶黏剂都是环保程度较高的材料。目前，研究人员正在研究应用腰果壳液制取多元醇，相信应用这种材料得到的生物基聚氨酯能够在涂料、胶黏剂领域中代替石化类聚氨酯的地位。

4 结束语

生物基高分子材料是一个边界广阔、种类复杂、工艺研究难度大的领域，但也是一个发展前景光明的领域，尤其在石化类能源储量不断下降的当下，更是代替石化类高分子材料的主要研究方向。生物基高分子材料普遍具有的生物、生态友好性能避免了人类制造出给更多难降解垃圾、污染环境的可能性，符合可持续发展的时代需求。生物基高分子材料的研究正在稳步推进中，这些材料正式进入人们的生活也许就在不久之后。