2020年(生物科技行業(yè))完全生物降解材料

1、【最新卓越管理方案您可自由編輯】2（生物科技行業(yè)）完全生物降解材料20XX年XX月完全生物降解材料摘要：可完全生物降解材料是指在適當(dāng)和可表明期限的自然環(huán)境條件下，能夠被微生物（如細(xì)菌、真菌和藻類等）完全分解變成低分子化合物的材料，對環(huán)境有積極的作用。本文介紹了完全生物降解材料的定義、分類、降解性能的評價(jià)及其發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：生物降解，測試，應(yīng)用前言：人類在創(chuàng)造現(xiàn)代文明的同時(shí)，也帶來負(fù)面影響白色污染。壹次性餐具、壹次性塑料制品以及農(nóng)用地膜等均難以再回收利用，其處理方法以焚燒和掩埋為主。焚燒會產(chǎn)生大量的有害氣體，污染環(huán)境；掩埋則其中的聚合物短時(shí)間內(nèi)不能被微生物分解，也污染環(huán)境。殘棄的塑料膜存在于土

2、壤中，阻礙農(nóng)作物根系的發(fā)育和對水分、養(yǎng)分的吸收，使土壤透氣性降低，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)；動作食用殘棄的塑料膜后，會造成腸梗阻而死亡；流失到海洋中或廢棄在海洋中的合成纖維漁網(wǎng)和釣線已對海洋生物造成了相當(dāng)?shù)奈：?，因此提倡綠色消費(fèi)和加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)勢在必行。面對日益枯竭的石油資源，符合潮流的生物降解材料作為高科技產(chǎn)品和環(huán)保產(chǎn)品正成為壹個(gè)研發(fā)熱點(diǎn)。理想的生物降解塑料是壹種具有優(yōu)良的使用性能、廢氣后可被環(huán)境微生物完全分解、最終被無機(jī)化合成為自然界中碳素循環(huán)的壹個(gè)組成部分的高分子材料。1.1、生物降解材料的分類生物降解材料按其生物降解過程大致可分為倆類。壹類為完全生物降解材料，如天然高分子纖維素、人工合成的聚己內(nèi)酯

3、等，其分解作用主要來自：由于微生物的迅速增長導(dǎo)致塑料結(jié)構(gòu)的物理性崩潰；由于微生物的生化作用、酶催化或酸堿催化下的各種水解；其他各種因素造成的自由基連鎖式降解。另壹類為生物崩解性材料，如淀粉和聚乙烯的摻混物，其分解作用主要由于添加劑被破壞且削弱了聚合物鏈，使聚合物分子量降解到微生物能夠消化的程度，最后分解為二氧化碳（C02）和水。生物崩解性材料大多采用添加淀粉和光敏劑的方法，和聚乙烯和聚苯乙烯共混生產(chǎn)。研究表明，淀粉基生物降解塑料袋最終將進(jìn)入垃圾場，不接觸陽光，即使其中有發(fā)生物雙降解作用，所發(fā)生的降解作用也主要以生物降解為主。壹定時(shí)間的試驗(yàn)表明：垃圾袋無明顯的降解現(xiàn)象，垃圾袋沒有自然破損，甚至對

4、袋里的垃圾起到壹定的“保鮮”作用。對于解決環(huán)境污染，盡管含淀粉基的塑料比壹次性塑料制品有效，但由于仍采用不能生物降解的聚乙烯或聚酯材料為原料，故除了添加的淀粉能夠降解外，剩余的大量聚乙烯或聚酯仍會殘存而不能完全生物降解，只是分解為碎片，無法回收，進(jìn)入土壤后情況更糟，對廢棄物的處理造成混亂，因而完全生物降解材料成為降解材料的研究重點(diǎn)。1.2、完全生物降解材料的品種和性能完全生物降解材料包括天然高分子纖維素、人工合成的聚己內(nèi)酯、聚乙烯醇等。自然界本身有分解吸收和代謝天然高分子纖維素的自凈化能力。該材料在用過廢棄后能被自然界微生物的酶降解，降解產(chǎn)物能被微生物作為碳源吸收代謝。（1）聚己內(nèi)酯（PCL）

5、是目前價(jià)格較低的全微生物分解性合成高分子，所用的聚己內(nèi)酯是環(huán)狀單體己內(nèi)酯，己內(nèi)酯是利用有機(jī)金屬化合物進(jìn)行開環(huán)聚合而制得的脂肪族聚酯。主要性能有：熔點(diǎn)和玻璃化溫度較低，分別只有60工、60工，結(jié)晶溫度為22工；其纖維強(qiáng)度和聚酰胺6纖維幾乎相當(dāng)，拉伸強(qiáng)度能夠達(dá)到70.56cN/tex之上，結(jié)節(jié)強(qiáng)度也在44.1cN/tex之上，而且在濕態(tài)情況下的強(qiáng)度損失很?。簧锝到庑院腿嗽炖w維相似，其產(chǎn)品大約在壹周內(nèi)即降解成不可能測試的薄片。PCL是高分子材料具有良好的生物分解性，和PE、PP、PC等多種樹脂具有良好的相容性，能夠提高其熔點(diǎn)。生物降解速度僅次于PHB和纖維素。天津科技大學(xué)翼玲芳等將PCL和熱塑性淀

6、粉、聚乙烯進(jìn)行共混復(fù)合，得到加工性能、力學(xué)性能、生物降解性能優(yōu)良的高分子材料。(2)聚乙烯醇為可生物降解樹脂，故淀粉基聚乙烯醇塑料可完全生物降解。乙烯和變性淀粉基共聚的產(chǎn)品具有良好的成型加工性、二次加工性、力學(xué)性能和優(yōu)良的生物降解性能。日本合成化學(xué)工業(yè)X公司開發(fā)出具有熱塑性、水溶性、生物降解性的聚乙烯醇樹脂，可熔融成型，其熔點(diǎn)為199,可在214-230°C下采用擠塑、吹塑、注塑等工藝成型。產(chǎn)品的透明性、水溶性、耐藥品性均十分優(yōu)越，可用于涂布復(fù)合成型容器和包裝材料。聚乳酸(PLA)最早由日本島津X公司和鐘紡X公司聯(lián)合開發(fā)，以乳酸為主要原料聚合所得到的高分子聚合物，而乳酸是壹種在動植物

7、和微生物體內(nèi)常見的天然化合物，極易自然分解，其纖維具有優(yōu)良的性能，介于合成纖維和天然纖維之間。親水性優(yōu)于聚酯纖維，比重低于聚酯纖維，有極好的手感、懸垂性和外觀，好的回彈性，優(yōu)良的卷曲和卷曲保持性，有可控的收縮性，強(qiáng)度達(dá)62cN/tex，不受紫外光影響，可用多種染料染色，杰出的可加工性，熱粘合溫度可控制，晶體熔融溫度高達(dá)120C-230C,低可燃性。此外，聚乳酸仍具有優(yōu)良的生物相容性，其降解產(chǎn)物能參和人體代謝，可用作醫(yī)用縫合線、注射用膠囊、骨架用固定材料、眼科材料等新型功能醫(yī)用高分子材料。乳酸單體的主要特征是其以倆種旋光性形式存在，聚乳酸技術(shù)利用該獨(dú)特的聚合物性能，通過控制D和L異構(gòu)體在聚合物鏈

8、上的比例及其分布來控制產(chǎn)品的結(jié)晶熔點(diǎn)。聚L-乳酸（PLLC）是以淀粉、糖蜜等生物資源為原料發(fā)酵制得L-乳酸，再用化學(xué)方法合成的高分子材料。PLLC是熱塑性材料，其可塑性和聚苯乙烯和聚酯相似，其結(jié)晶性和剛性都比較高，抗張強(qiáng)度優(yōu)良。生物降解材料的降解性能及其評價(jià)對生物降解材料的降解性能的測試目前仍沒有制訂統(tǒng)壹的標(biāo)準(zhǔn)，可采用包括被美國材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（ASTM）采納或準(zhǔn)備采納的方法作為標(biāo)準(zhǔn)的方法，通過生物化學(xué)和微生物的實(shí)驗(yàn)手段來評價(jià)的主要方法有下列幾種。2.1、土埋法土埋法有室外土埋法和室內(nèi)土埋法倆種，其微生物源主要是土壤中的微生物群，經(jīng)壹定時(shí)間后，取出試樣測定其失重、機(jī)械性能變化，或用電子顯微鏡確定其

9、被土壤中微生物侵襲的狀況。優(yōu)點(diǎn)是能反映出自然環(huán)境條件下的生物分解性能；缺點(diǎn)是試驗(yàn)周期長，試驗(yàn)結(jié)果因土質(zhì)不同而不同，重復(fù)性差2.2、陪替氏培養(yǎng)器定量法在容器中加入試驗(yàn)樣品和營養(yǎng)瓊脂，接種微生物進(jìn)行培養(yǎng)，經(jīng)壹定時(shí)間后，分析試樣的失重情況以及某些物理變化或化學(xué)變化。優(yōu)點(diǎn)是可快速降解，在短時(shí)間內(nèi)獲得試驗(yàn)結(jié)果，重復(fù)性好，定量性好；缺點(diǎn)是不能反映自然界中的實(shí)際情況。2.3、酶分析法在容器中加入緩沖液和試驗(yàn)樣品，讓酶作用壹定的時(shí)間后，分析試樣的失重情況，目測霉菌的生長情況，顯微鏡分析試樣物理性能或化學(xué)性能的變化。優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)周期短，重復(fù)性好，定量性好；缺點(diǎn)是不能反映自然界中的實(shí)際情況。2.4、放射性C14示蹤

10、法用C14標(biāo)記聚合物產(chǎn)品，在微生物的作用下產(chǎn)生C02，用堿性溶液吸收，用滴定法測出CO2總量，再用放射性衰減率法測定C14的CO2量，用C14的CO2占產(chǎn)生的CO2的百分?jǐn)?shù)表示微生物侵蝕的程度。優(yōu)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠、明確。生物降解性能的測試能夠檢測樣品生物降解性能的優(yōu)劣。生物降解材料的應(yīng)用生物降解材料廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，能夠部分代替通用塑料。使用量最大的是環(huán)保材料、包裝材料以及醫(yī)用材料。3.1、農(nóng)業(yè)用途理想的農(nóng)用材料是能和其他生物降解材料協(xié)同作用轉(zhuǎn)化為提高土質(zhì)的材料，生物降解材料在農(nóng)業(yè)上主要用作農(nóng)用地膜和農(nóng)作物生長容器。3.1.1、農(nóng)用地膜傳統(tǒng)的薄膜在幫助農(nóng)作物生長，增加農(nóng)作物產(chǎn)量方面發(fā)揮了重大

11、的作用，但致使的缺點(diǎn)是使用后的處理十分困難。經(jīng)過整個(gè)農(nóng)作物生長期的風(fēng)吹日曬，薄膜的強(qiáng)度下降且都裂為小碎片殘留在土壤中，小碎片會引起土壤板結(jié)，阻礙作物根部發(fā)育和對水分的吸收，仍會隨風(fēng)飄散，造成環(huán)境污染。生物降解農(nóng)用地膜除具有傳統(tǒng)塑料薄膜的優(yōu)點(diǎn)外，最重要的是其使用后能夠自動降解，不必收集，同時(shí)農(nóng)肥和水的需求量相應(yīng)減少，能夠進(jìn)行下壹季的耕作，因而既能夠減少白色污染，又能夠降低生產(chǎn)成本。3.1.2、農(nóng)作物生長容器農(nóng)作物生長容器用于播種和移栽樹苗、花卉、蔬菜以及盆景。如果容器不是生物降解性的，在移栽之前必須除去容器才能使根系快速生長，而且裸根容易受損，很難用機(jī)械栽插，而生物降解塑料容器在栽種時(shí)保護(hù)了根系

12、，成活率高，用這種方法種植和移栽能夠使許多植物降低成本，移栽季節(jié)延長，成活率提高。研究發(fā)現(xiàn)，以聚己內(nèi)酯為主要成分的農(nóng)作物生長器，在土壤中會發(fā)生明顯的生物降解，6個(gè)月后失重48%，壹年后失重約95%。生物降解材料在農(nóng)業(yè)方面的其他應(yīng)用仍有草皮種植片、堆肥用袋以及農(nóng)用藥物的擯釋材料等。3.2、包裝用途生物降解塑料制成的食品袋、包裝袋、垃圾袋因其生物降解性而大受青睞。生物降解包裝材料壹般是將可降解的高分子聚合物加入到層壓膜中或直接和層壓材料共混成膜。食品包裝材料和容器壹般要求能保證食品不腐爛、隔離氧氣且材料無毒。其中最具代表性的是聚羥基丁酸酯（PHB）和聚羥基戊酸酯（PHV）及其共聚物（商品名Biop

13、ol），其物性和聚乙烯和聚丙烯相近，且熱封性良好，Biopol用過后可生物降解或被焚燒，倆者的耗氧量僅相當(dāng)于其光合作用放入大氣的氧，處理后產(chǎn)生的CO2即為光合作用攝入的全部CO2量，因此可認(rèn)為完全進(jìn)入生物循環(huán)。生物降解塑料仍可用作壹次性緩沖材料。據(jù)報(bào)道，日本幸和株式會社開發(fā)的聚乙烯醇淀粉型生物降解塑料是性能較優(yōu)良的緩沖材料，表觀密度比傳統(tǒng)的聚苯乙烯緩沖材料稍高。3.3、醫(yī)用生物降解材料醫(yī)用材料不僅需要有醫(yī)效，而且仍要安全、無毒、無刺激性，和人體有良好的生物相容性。醫(yī)用生物降解材料是指完成醫(yī)療功能后，可被生物體內(nèi)的溶解酶分解而吸收，生物降解塑料已被廣泛用于手術(shù)縫合線、人造皮膚、矯形外科、體內(nèi)藥物

14、緩釋劑和吸收性縫合線等領(lǐng)域。3.3.1、外科手術(shù)縫合線理想的縫合線應(yīng)在體內(nèi)有良好的適應(yīng)性、無毒、無刺激性，且在體內(nèi)保持壹定時(shí)間的強(qiáng)度后能被組織吸收，其縫合、打結(jié)性能以及柔性等方面都應(yīng)符合操作要求。以前使用的羊腸線易產(chǎn)生抗原體反應(yīng)，在人體內(nèi)的適應(yīng)性不太理想，且保存不便。研究表明，甲殼素和殼聚糖制成的醫(yī)用縫合線可被體內(nèi)溶菌酶分解，生成CO2排出體外，生成糖蛋白可被組織吸收，免除了手術(shù)后拆線的麻煩，減輕了病人的痛苦。在尿、膽汁、胰液中能保持良好的強(qiáng)度，使用后自行吸收，不引起過敏，仍能加速傷口愈合。3.3.2、人造皮膚人的皮膚是壹種再生能力很強(qiáng)的組織，但大面積的燒傷則不能單靠自身皮膚或自體移植皮膚來愈

15、合，需要人造皮膚作為治療過程中的壹種暫時(shí)性的創(chuàng)面保護(hù)覆蓋材料來幫助愈合。人造皮膚的作用有：防止水分和體液經(jīng)創(chuàng)面蒸發(fā)和流失；防止感染；能促進(jìn)肉芽或上皮成長，促進(jìn)治愈。人造皮膚仍要能夠消毒和滅毒，防止細(xì)菌感染，且不能對人體有害。當(dāng)下大量商業(yè)用的人造皮膚有膠原蛋白、甲殼素、聚L-亮氨酸等酶催化生物降解材料。3.3.3、藥物緩釋劑藥物口服后進(jìn)入人體，在血液中的濃度必須達(dá)到壹定的程度才能夠起生理活性作用，當(dāng)藥物的血藥深度高過壹定的限度時(shí)，會出現(xiàn)副作用，而當(dāng)血液中的藥物被肌體代謝排出體外后，血藥濃度下降不具備藥效。用生物降解高分子材料制作的藥物緩釋劑，可使藥物保持在人體內(nèi)長期恒量釋放，提高了療效，對于癌癥

16、、心臟病、高血壓等的長期治療方便而有效。除上述用途外，醫(yī)用生物降解材料仍可用于骨折固定材料、人工腎、醫(yī)用抗粘劑等用途。4、結(jié)語生物降解材料在環(huán)境保護(hù)中得應(yīng)用已經(jīng)引起了人們的關(guān)注，可是仍然面臨著許多問題：(1) 價(jià)格高。生物降解高分子材料的價(jià)格比普通的高215倍，成為其進(jìn)入市場的阻力。(2) 技術(shù)問題。生物降解材料在不同的領(lǐng)域要求不同的降解速度，如做包裝材料時(shí)要求有壹定的使用期，做醫(yī)藥材料時(shí)要求降解速度。(3) 評價(jià)問題。國際上沒有統(tǒng)壹、完整的評價(jià)試樣方法。(4) 安全問題。生物降解材料雖然消滅了白色污染，但也有可能損害環(huán)境。德國包裝行業(yè)協(xié)會最近在巴黎PlatEuroFilm會議上指出生物降解材料有可能產(chǎn)生甲烷，而甲烷是壹種導(dǎo)致溫室效應(yīng)的氣體,其危害性要比二氧化碳高21倍。如何解決目前的環(huán)境問題，我認(rèn)為首先應(yīng)強(qiáng)調(diào)廢舊塑料的回收、分類、加工，使有限的資源循環(huán)利用；其次是研究完全生物降解性高分子材料，利用價(jià)廉易得的原料經(jīng)微生物的發(fā)酵和利用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)生物降解性高分子材料。參考文獻(xiàn)：1 俞文燦.可降解塑料的應(yīng)用、研究現(xiàn)狀及其發(fā)展方向.中山大學(xué)研究學(xué)刊.2007,28(1)2 王琳霞.生物降解高分子材料.塑料科技.20023 賴承鉞,鄭寬,赫麗萍,李輝章,楊科珂,李方.高分