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1、 可降解塑料的研究现状及发展前景 可降解塑料的研究现状及发展前景 摘要:文章综述了国内外降解塑料的研究现状,介绍了降解塑料的定义、评价标准以及降解塑料的分类,以及光降解塑料,生物降解塑料以及光/生物双降解塑料的研究动态,展望了降解塑料的光明前景。关键词:降解塑料;光降解;生物降解;光/生物双降解 中图分类号:TQ320 文献标识码:A 文章编号:1009-2374 (2010)24-0006-02 随着现代社会农业科学技术的发展,薄膜的使用逐渐深入到农业生产的各个领域。曾给农业生产带来福音的“白色革命”在极大地促进我国农业生产发展的同时,也给我国的生态环境造成了极大的“白色污染”。
2、农膜主要以化纤为原料,其主要成分是聚丙烯,聚氯乙烯以及聚乙烯,可在田间残留几十年不降解。连年不降解的碎膜逐年累积于土壤耕层造成土壤板结、通透性变差、根系生长受阻,后茬作物减产,有些作物减产幅度达到 20%以上,并且这一情况正在进一步恶化。由此产生的环保负面效应已引起社会各界的严重关注和忧虑。1 降解塑料的定义以及评价方法 降解塑料是一类新型功能塑料,从世界范围来看,其技术 在不断发展,用途在不断开拓,定义、评价方法以及评价标准也均在不断规范和完善中。近年来,国内外都在努力寻找一个能被人类所接受的降解塑料的定义及其评价方法。影响比较大的是,欧洲制定的 Comite´Europe&ac
3、ute;en de Normalisation(CEN)标准,强调包装材料的回收再利用以及堆肥处理;英国标准组织 BSi 则强调了包装材料的环境效应,着重于薄膜的氧化降解;其中,被大家所共识且认可程度最高的是美国材料试验协会(American Society for Testing and Materials,ASTM)对降解薄膜所作的定义及评价方法。随着国内降解塑料的不断发展,与之相关的测试标准,规范也不断被制定出来。与 ASTM 一样,国标并没有对降解时间,降解产物以及检测方法做出明确的规定。2 降解塑料的分类 降解塑料按照降解机理可大致分为光降解塑料、生物降解塑料和光-生物双降解塑料。其
4、中,具有完全降解特性的生物降解塑料和具有光-生物双重降解特性的光/生物双降解塑料,是目前主要的研究开发方向和产业发展方向。2.1 光降解塑料 光降解塑料一般是指在太阳光的照射下,引起光化学反应而使大分子链断裂和分解的塑料。一般光降解塑料的制备方法有两种,一是在高分子材料中添加光敏剂,由光敏剂吸收光能后产生自由基,促使高分子材料发生氧化作用后达到劣 化;另一种是利用共聚的方式将光敏基团(如羧基、双键等)导入高分子结构内赋予材料光降解的特性。因此光降解塑料可分为添加型和合成型两类。合成型光降解塑料是通过共聚反应在塑料的高分子主链上引入羰基等感光基团而赋予其光降解特性的,并可以通过调节光敏基团的含量
5、来控制光降解活性。现在已知的有乙烯-CO 共聚物、乙烯酮-乙烯共聚物等。以一氧化碳或乙烯酮类为光敏单体与烯烃类单体共聚,可合成含羰基结构的聚乙烯(PE),聚丙烯(PP),聚氯乙烯(PVC)等光降解聚合物。添加型光降解塑料是在聚乙烯、聚苯乙烯等通用塑料中添加光敏性添加剂,制成的光降解塑料制品。在紫外光作用下,光敏剂可离解成具有活性的自由基,进而引发聚合物分子链断裂使其降解。常用的光敏剂有过渡金属络合物、硬脂酸盐、N,N-二丁基二硫代氨基甲酸铁等,用量约 1%3%(质量)。另外可以根据添加剂本身所具有的光催化氧化作用以及氧化还原作用来促进聚合物的光降解。可控光降解塑料可以说是光降解塑料向深层发展的
6、一种标准。它除具有光降解的必备特性外,还必须具有特定的光降解行为。美国伦斯勒理工学院的克里维络采用能同紫外线发生反应的化学物质,研制成功了该类塑料。国内有些研究单位和厂家在此方面做了大量的研究开发工作,并能生产一定量的可控光降解薄膜。研究发现可以通 过调节光敏剂的添加量以及光敏剂与抗氧化剂的配比来实现薄膜的光降解可控性。2.2 生物降解塑料 光降解塑料由于价格较高,又只能在光照下降解,受地理环境、气候制约性很大,埋地部分不能降解等问题,使大面积应用受到一定限制。光降解表现出来的诸多缺点使得光降解最终退出历史舞台,而生物降解所变现出的优良的全降解性能,使得各国开始把研究目光转向生物降解。目前研究
7、开发的生物降解材料有天然高分子材料、微生物合成高分子材料、人工合成高分子材料以及共混性高分子(添加型)材料。天然高分子型是利用淀粉、纤维素、甲壳质、蛋白质等天然高分子材料制备的生物降解材料。2001 年 5 月,美国的Bio-Corps 公司生产出用热塑性淀粉材料制成的塑料杯上市销售。生物合成的完全生物降解塑料是微生物把某些有机物作为食物源,通过生命活动合成的高分子化合物。通过微生物合成而得到的生物降解塑料以聚羟基脂肪酸酯(PHA)类为多,其中最常见的有聚 3-羟基丁酸酯(PHB)、聚羟基戊酸酯(PHV)及 PHB 和 PHV 的共聚物(PHBV)。PHB/PHV 共聚物已经有产品出售,商品名
8、为 Biopol。化学合成法合成的生物降解塑料大多是在分子结构中引入能被微生物降解的含酯基结构的脂肪族聚酯,目前具有 代表性的产品有聚己内酯(PCL),聚琥珀酸丁二醇酯(PBS),聚乳酸(PLA),以及最近国内研究最热的二氧化碳基生物降解塑料等。添加型生物降解高分子材料是指在普通聚合物中添加易被细菌等微生物分解的物质而得到的高分子材料。美国Agti-Tech 公司于 1998 年投 1 亿美元建立了一条以玉米淀粉为基料的生产降解塑料垃圾袋的成套生产线。我国淀粉塑料首先于 1988 年由江西科学院研究成功并建立国内第一条淀粉基聚乙烯醇流延法生产可降解薄膜的生产线,以后陆续看到有关报道。2.3 光
9、-生物双降解塑料 尽管目前对光降解塑料和生物降解塑料的研究和报道较多,但在推广过程中遇到不少问题:(1)经济问题。生物降解塑料的价格要比普通塑料高 215 倍,高昂的价格成为其进入市场的阻力;(2)技术问题。生物降解塑料在不同应用领域要求有不同的降解速度,如在作包装材料时要求有一定的使用期,作医药材料时则要求降解速度快,要做到能有效控制降解时间,在技术上还待提高;(3)安全问题。面对光降解塑料与生物降解塑料不可忽视的缺点,各国开始考虑两种降解的结合,即光-生物双降解塑料。光-生物双降解塑料具有光、生物的双重降解性。是当前世界降解塑料的主要开发方向之一。其制备方法是采用通用高分子材料(如 PE)
10、中添加光敏剂、自动氧化剂、促氧化剂、抗氧剂和作为微生物培养基的生物降解助剂等的添加型技术比较普遍。光-生物双降解塑料分为合成型双降解塑料和掺混型双降解塑料,但由于合成型光降解塑料成本较高,研究较少。目前研究较多的是掺混型光-生物双降解塑料。当前国外开发的主要品种有美国 Ecostar International公司开发的 Ecostar Plus 母料,美国 Ampact 公司开发的 Polygrade II、PolygradeIII 以及美国 ADM 公司的 Polylean 产品。加拿大St.Lawrance 公司的 Ewster 母料以及 EPI公司生产的 TDPA母料也具有光-生物双降
11、解性,以及其他欧美产品。我国通过“八五”攻关研究,在光-生物双降解薄膜方面取得了可喜的进展。北京塑料研究所采用聚乙烯为基础料,添加含有光敏剂、光氧化稳定剂等组成光降解体系和含有N、P、K 等多种化学元素作为生物降解体系的浓缩母料,可挤出吹塑制成厚度为 0.005mm 的可控降解薄膜。3 降解塑料的发展前景 降解塑料目前仍处于不断成熟的阶段,技术含量较高,特别是随着人们对环境污染问题的日益关注和可持续发展战略的实施,降解塑料的研究前景看好,应用领域也将会得到拓展。然而就目前的研究成果而言,欲使其普遍使用仍需较长的时间。为了使降解塑料更好地服务于人类,今后的主要研究领域应当是:J.材料导报,2008,22(7).6 Iwamoto A,et al.Biodegradable thermo plastic resin moldings with good heat and water resistance and their manufacture J.Polymer Degradation Stability,1994,(45).7 梁兴全.聚乙烯/淀粉共混材料及其降解特性的研究D.华南理工大学,2002.作者简介:吴进喜(1977-),男,江西万年人,新疆工业高等专科学校化工系研究生,研究方向:高分子材料加工与应用。