生物可降解袋制備及應(yīng)用.doc

課程設(shè)計200841505103 陳苗 08材料科學(xué)與工程生物可降解袋制備及應(yīng)用1、 前言隨著大量高分子材料在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，帶來的環(huán)境問題也就日益加劇。比如，塑料這應(yīng)用得最廣泛的高分子材料，由于難以降解，隨著用量的與日俱增，廢棄塑料所造成的白色污染已成為了世界性的公害。據(jù)統(tǒng)計， 2010年塑料總需求量已經(jīng)達(dá)到2.5億噸，而用后廢棄的大約占生產(chǎn)量的50%60%,也就是在1.251.3億噸左右。通常，廢塑料的處理主要有兩種方式，掩埋和焚燒。然而，這兩種處理方法卻會帶來新的有害物質(zhì)。這有悖于循環(huán)經(jīng)濟(jì)的中所提出的“3R”原則。那些處理高分子材料的老套方法都存在著缺陷并且也有一定的局限性，給環(huán)境帶來了嚴(yán)重的負(fù)荷，因此開發(fā)一些環(huán)境可接受的降解性高分子材料，將是解決環(huán)境污染的一個重要途徑。而其中用途比較廣的就是生物可降解高分子，它是指通過自然界或者添加微生物的化學(xué)作用，將高分子屋子分解成小分子化合物，在進(jìn)入自然界的物質(zhì)循環(huán)中。這種方法簡潔有效，而且對環(huán)境的保護(hù)也有積極的作用，這已然成為了近年來研究的熱點(diǎn)。2、 現(xiàn)階段發(fā)展?fàn)顩r理想中的生物降解高分子材料是一種具有優(yōu)良的使用性能，廢棄后又可被環(huán)境微生物完全分解，最終被無機(jī)化而成為自然界中碳元素循環(huán)的一個組成部分的高分子材料。材料的結(jié)構(gòu)是決定其是否可生物降解的根本因素，而其中包括了高分子的親水性、構(gòu)型、形態(tài)結(jié)構(gòu)、鏈段的活動性等等。就目前而言，生物塑料就是一種新型材料，具有很好的發(fā)展場景。根據(jù)歐洲生物塑料協(xié)會資料，2001年的數(shù)字顯示，歐盟可生物降解產(chǎn)品的消費(fèi)量為2.53萬噸，而傳統(tǒng)聚合物的用量高達(dá)3500萬噸。歐洲生物塑料協(xié)會預(yù)計2011年傳統(tǒng)聚合物的用量將達(dá)到5500萬噸，而生物降解塑料的用量屆時會達(dá)到50100萬噸?？缮锝到獠牧献罱K可能會占據(jù)10%的市場份額。在生物降解材料中原料采用可再生資源的比例將占到90%以上。 而按照中國塑協(xié)降解塑料專業(yè)委員會的統(tǒng)計，我國2003年生物降解材料的用量約15000噸，其中不添加淀粉的生物降解聚合物約1000噸。2005年從事生物降解塑料的企業(yè)約30家，生產(chǎn)能力6萬噸/年，實(shí)際生產(chǎn)約3萬噸，國內(nèi)市場需求約5萬噸，國外進(jìn)口1萬噸，出口2萬噸。預(yù)計2011年產(chǎn)能將達(dá)到25萬噸左右。3、 可降解袋的設(shè)計及應(yīng)用就如上所言，可降解塑料作為直接接觸食品的包裝材料，其的安全性仍有待探討。與通用塑料相比，可降解塑料的性質(zhì)是不穩(wěn)定的，如生物可降解塑料具有生物不穩(wěn)定性，在微生物環(huán)境下可被分解，導(dǎo)致細(xì)菌的滋生。所以，可降解塑料作為一種包裝材料，在食品包裝領(lǐng)域的應(yīng)用前景有限。而不可降解的塑料具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，其安全性已被證實(shí)是可靠的。也可以將不可降解塑料進(jìn)行回收和循環(huán)使用，這樣也是一種解決白色污染的有效途徑。 （1）優(yōu)缺點(diǎn)：使用可降解塑料大概有幾個不足：一是有些可降解塑料由于技術(shù)的問題，生產(chǎn)成本比較低；二是使用可降解塑料制品仍不能完全消除“視覺污染”；三是由于技術(shù)方面的原因，使用可降解塑料制品不能徹底解決對環(huán)境的“潛在危害”；四是由于可降解塑料由于含有特殊的添加劑這也變得難以回收利用；五是目前可降解塑料制備的領(lǐng)域還是相對比較窄。但是其優(yōu)點(diǎn)也是比較明顯的，例如：聚3-羥基烷酸酯（PHA）、聚乳酸（PLA）、聚-己內(nèi)酯（PCL）和聚丁二酸丁二醇酯（PBS）及各種完全生物降解塑料的改性和共聚產(chǎn)物。這些完全生物降解塑料在使用過程中性能穩(wěn)定，使用后能在堆肥、土壤、水和活化污泥等環(huán)境下被微生物或動植物體內(nèi)的酶最終分解為二氧化碳和水，具有良好的生物相容性和生物可吸收性，對環(huán)境友好，是根治傳統(tǒng)塑料產(chǎn)生的“白色污染”的良方。以PBS為例，經(jīng)過改性之后有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：第一，PBS具有很好的機(jī)械性能和加工性能，力學(xué)性能介于PE、PP之間，這完全可以滿足通用塑料的使用要求；并且可在通用聚酯加工設(shè)備上進(jìn)行各類成型加工，也是目前通用型完全生物降解塑料中加工性能最好的一種可降解塑料。 第二，PBS具有非常好的降解性能，在堆肥條件下，90天生物降解率達(dá)到90%以上。 第三，PBS具有出色的耐熱性能，熱變形溫度接近100，改性后可超過100（在完全可生物降解聚酯中耐熱性能最好），可用于制備冷熱飲、餐盒等包裝領(lǐng)域。 第四，PBS具有價格優(yōu)勢，其原料可以從生物發(fā)酵途徑得到。 第五，PBS用途極為廣泛，可以用于包裝領(lǐng)域、一次性器具領(lǐng)域、農(nóng)用領(lǐng)域以及醫(yī)用領(lǐng)域等等，從真正意義上解決環(huán)境污染問題。（2）制備過程：A直接酯化法：直接酯化法以1,4一丁二酸和1,4一丁二醇直接合成得到PBS，其合成方法由兩個步驟完成:先在較低的反應(yīng)溫度下將二元酸與過量的二元醇進(jìn)行酯化，形成端羥基預(yù)聚物;然后在高溫、高真空和催化劑的存在下脫除二元醇，得到聚酯。合成反應(yīng)式如下:nH0(CH2)40H+nHOOC(CH2)2COOHHO(CH2)400C(CH2)2C0nO(CH2)40H+2nH20mH0(CH2)40H+mHOOC(CH2)2COOHHO(CH2)400C(CH2)2C0m O(CH2)40H+2mH20HO(CH2)400C(CH2)2C0nO(CH2)40H+HO(CH2)400C(CH2)2C0nO(CH2)40HH-O(CH2)400C(CH2)2C0-2nOH+ HO(CH2)40HHO(CH2)400C(CH2)2C0O(CH2)40H+HO(CH2)400C(CH2)2C0mO(CH2)40HH-O(CH2)400C(CH2)2C0n-O(CH2)400C(CH2)2C0mOH+ HO(CH2)40HB酯交換反應(yīng)法：二元酸二甲酯與二元醇，在催化劑存在下，高溫、高真空脫甲醇進(jìn)行酷交換反應(yīng)得到端羥基預(yù)聚物，其反應(yīng)式如下:2H0(CH2)40H+CH300C(CH2)2COOCH3一HO(CH2)400C(CH2)2C00(CH2)40H+2CH30H直接酯化與酯交換兩種方法都包含兩步基本反應(yīng)酯化反應(yīng)和縮聚反應(yīng)。不同之處在第一步酯化反應(yīng)，酯交換反應(yīng)法是通過酯交換脫去甲醇完成酯化而直接酯化法是通過醇酸縮水達(dá)到酯化。C擴(kuò)鏈反應(yīng)：上述直接酯化法和酯交換反應(yīng)法均為可逆反應(yīng)，其平衡常數(shù)較低，在反應(yīng)過程中需不斷排除小分子物質(zhì)(水或甲醇)，然后再進(jìn)行縮聚反應(yīng)以獲得所需相對分子質(zhì)量的聚酯。但在縮聚反應(yīng)過程中，特別是在反應(yīng)后期，溫度往往超過200 0C，不可避免地出現(xiàn)脫羧、熱降解、熱氧化等副反應(yīng)，而影響相對分子質(zhì)量的提高。為了進(jìn)一步提高相對分子質(zhì)量，可以選擇擴(kuò)鏈反應(yīng)，利用擴(kuò)鏈劑的活性基團(tuán)與聚酯的端羥基反應(yīng)，提高聚酯相對分子質(zhì)量。常用的擴(kuò)鏈劑主要有酸酐及二異氰酸酯等。4、 展望：塑料行業(yè)是一個大產(chǎn)業(yè)，2003年全國塑料制品產(chǎn)量達(dá)1650.53萬噸，其中農(nóng)用薄膜81.1萬噸，包裝膜326.97萬噸，餐飲具用量達(dá)312萬噸