环境热点问题透析结课论文_环境热点问题透析
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可完全生物降解高分子材料在环境保护中的应用及发展前景
高分子材料已经广泛影响到我们生活的各个领域：如农膜、食品包装袋、垃圾袋等，为我们的生活带来了很大的方便。但是这些高分子材料以石油为原料，自二十世纪七十年代开始的石油危机以来，石油资源越来越少，据报道全世界的石油储量只能用41年，其价格不断上涨，材料成本也逐渐提高；更重要的是这些高分子材料在使用后造成的 “白色污染” 已经严重破坏了生态环境和生态平衡，威胁着人类的生存。
自实行可持续发展战略以来，人们开始研究和开发对环境无污染的可完全降解的高分子材料。这种可完全降解高分子材料以天然材料如淀粉、纤维素 等作为原材料，具有原料可再生、废品可回收利用和不可回收利用则可完全生物降解成二氧化碳、水的优点，成为解决石油资源短缺及环境污染的有效途径，环保材料研究的热点。1.生物降解高分子材料的原材料生物体产生的糖、乳酸、蛋白质、脂肪和纤维素等，都可称为生物降解高分子材料的原料。一种是用植物作原料： 玉米胶质中的玉米朊，与一些脂肪酸结合能生产出一种新型高分子材料； 由粟米、大豆和蓖麻等多种油料提炼而成的可生物降解泡沫高分子材料，两年内能自然降解； 用小麦秆的纤维和麦粒中的淀粉制成 的高分子材料可用于快餐盒，保温时间长。将木材中的木质 素加工成一种明亮的褐色颗粒，就可以浇铸成任何形状的热 高分子材料，可用于制作汽车装饰材料、枪托、家具、电器的外壳、圆珠笔杆等硬高分子材料制品； 将黄麻主茎中的纤维素可制成一种农用有机覆盖膜，其被生物降解后，可作为腐殖 质进入土壤。另一种是用微生物生产高分子材料：利用微生物开发 可生物降解高分子材料： 在富含碳元素的情况下，有一种细菌 能将过多的碳元素储存起来，并转化为细小的聚合物—PHB 微粒。从这种细菌中分离出生产聚合物的基因，转移到棉花 种子的细胞中，种植的这种棉花即可得到生产可降解高分子 材料的 PHB 微粒； 大肠杆菌可将淀粉和脂肪酸转化成一种新的聚合物，其分子结构排列整齐，制成高分子材料具有很好的延展性； 一种新型转基因真菌，可利用粮食和其它可再生生物材料，生成可降解高分子材料。2.完全降解的机理可生物降解高分子材料是在一定的时间和一定的条件 下，能被微生物（细菌、真菌、霉菌、藻类）或其分泌物在酶或化学分解作用下发生降解为低分子化合物，最终分解为二氧化碳和水等无机物的高分子材料。
生物降解的高分子材料具有以下特点：易吸附水、含有敏感的化学基团、结晶度低、低分子量、分子链线性化程度高和较大的比表面积等。可用作药物 控释材料的有天然高分子材料及其衍生物和人工合成高分子材料。高分子材料在体内降解涉及的反应有水解、酶解、氧化等。对大多数生物降解材料，尤其是合成的高分子材料，降解过程主要是水解反应，其形式为：直线型高分子主链内不稳定键断 裂； 主链为线型而带侧链的高分子侧链基团的水解； 交联网状高分子材料内不稳定交联链的断裂； 通过以上3 种形式使聚 合物分子变小，达到降解的目的。而高分子链的水解速率又受其化学组成、分子量大小、聚集态、结晶度等因素制约，人们正是针对这种影响因素，对聚合物进行改性或开发新的高分 子材料，以实现理想的释药行为。3.完全生物降解高分子材料的种类及应用从原料的组成和制备方法上可分为微生物合成降解高分子材料、化学合成降解高分子材
料和天然产物降解高分子材料。生物合成的完全生物降解高分子材料生物合成的完全生物降解高分子材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高分子材料以聚羟基脂肪酸酯(PHA)类为多，聚羟基脂肪酸酯是由微生物通过各种碳源发酵而合成的不同结构的脂肪族共聚聚酯。其中最常见的有聚 3 一羟基丁酸酯(PHB)、聚羟基戊酸酯(PHV)及 PHB 和 PHV 的 共聚物(PHBV)。它的许 PHB 是一种在自然界中广泛存在的热塑性聚酯，多物理性能和机械性能与聚丙烯高分子材料接近，但它具有 生物降解性和生物相容性，在生物体内可完全降解成－羟基丁酸、二氧化碳和水。用这种生物高分子材料制成的材料可用于医疗领域的药物释放系统。这种生物降解高分子材料的优点为： 缓释速率主要由载体的降解速率控制，对药物性质的依赖性较小； 释放速率更加稳定。更适合于不稳定药物的释放要求。此外，当用生物降解高分子材料作为载体的 长效药物植入体内，在药物释放完后不需要再经手术将其取出，自己在体内分解，可减少用药者的痛苦。但相对聚丙烯来说，且更脆一些。通过 PHB PHB 比较硬，与 PHV 共聚(PHBv)可以改善 PHB 结晶度高、较脆的弱点，提高其机械性，耐热性和耐水性。PHB ／ PHV 为 89 ／ 11 时共 聚物的强度和韧性达到最佳，此类产品可用于食品包装、化妆 品、医药、卫生及农业等行业。化学合成的完全生物降解材料 化学合成法合成的生物降解高分子材料大多是在分子结 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）和聚乳酸（PLA）等。聚己内酯（PCL）高分子材料具有良好的生物分解性，与 可以提高其 PE、ABS、等多种树脂具有良好的相容性，PP、PC 熔点。生物降解速度仅次于 PHB 和纤维素。降 PCL 与热塑性淀粉（TPS）聚乙烯、（PE）进行共混 复合，得到了加工性能、力学性能、生物降解性优良的高分子 材料。聚琥珀酸丁二醇酯（PBS）具有良好的热稳定性和高分子 量，与芳香族聚酯等共聚可以提高熔点。另外，加入己二酸、乙二醇等共聚物，可以改善 PBS 的生物降解性。应用 PBS 为 基础材料制造各种高分子量聚酯的技术开发的新产品主要是 发泡材料，用做家用电器和电子仪器等的包装材料。聚乳酸（PLA）是一种无毒、无刺激性、强度高、加工性能 优异的透明坚硬热塑性高分子材料。其用品有农用地膜、一 次性饭盒、包装材料和纺织品等。此外，聚乳酸还具有优良的 生物相容性，其降解产物能参与人体代谢，可用作医用缝合线、注射用胶囊、骨科用固定材料、眼科材料等新型功能性医用高 分子材料。天然产物降解高分子材料 自然界的动植物体内存在着大量的多糖类物质，它们都 是易被生物降解的天然高分子化合物，有可能用来制造生物 降解高分子材料。天然产物降解高分子材料的主要原料是淀粉、纤维素、甲壳素和蛋白质等。淀粉和纤维素淀粉和纤维素是降解高分子材料的主要原料。其中全淀 粉高分子材料含淀粉在 90％以上，添加其他组分也能完全降解，且可以降低成本，属于完全生物降解高分子材料。Novon 分公司开发了玉米淀粉和 PVA 的共混物，分解率达 Products 到 100％。与淀粉高分子材料相似，纤维素高分子材料也是由 植物纤维素或其衍生物与 PLA、PHB 和 PHBV 等共混制得，具有较快的降解速度和较好的力学性能；纤维素还可与淀粉、壳聚糖、蛋白质等天然高分子混合后加热或溶解在同一溶液 中，制备出完全溶解性的薄膜。甲壳素
甲壳素来自虾、蟹等节足动物，世界上每年海洋产甲壳量达10 亿吨，原材料丰富。由甲壳素纤维纺织而成的服装具有极强得抗菌能力、优良的保湿性和舒适性。来自动物得甲壳 素具有良好的生物相容性和肌体适应性，并具有消炎、止血、镇痛和促进肌体组织生长等功能，可以促进伤口愈合，被公认为保护伤口得理想材料。蛋白质也是制备降解高分子材料的良好原料，通过对蛋 白质进行改性，可获得较好性能的蛋白质高分子材料。用乙 二醇、甘油等增塑剂进行增塑改性，可改进大豆蛋白高分子材 料的加工性能及力学性能。Otaigbe 等研究了在大豆蛋白中 添加 20％得聚磷酸盐，可将材料的弯曲模量从 1.7GPa 提高 到
2.1GPa，而吸水率则稳定在 57％左右。生物降解性大豆蛋 白质高分子材料的研制作为提高农产品附加值和提高农民收 入的有效途径，引起了美国、巴西、阿根廷等农业大国的浓厚 兴趣。4.可完全降解高分子材料的发展前景 生物降解高分子材料在环境保护中的应用已经引起了人 们的关注，但是仍然面临着许多问题： 价格高。生物降解高分子材料的价格比普通的高 2 ～ 15 倍，成为其进入市场的 阻力。技术问题。生物降解高分子材料在不同的领域要 求不同的降解速度，如做包装材料时要求有一定的使用期，做 医药材料时要求降解速度快。评价问题。国际上没有同
一、完整的评价试样方法。安全问题。生物降解高分子材料虽然消灭了白色污染，但也有可能损害环境。德国包装行 业协会最近在巴黎 PlatEuroFilm 会议上指出生物降解高分子 材料有可能产生甲烷，而甲烷是一种导致温室效应的气体，其 危害性要比二氧化碳高 21倍。针对生物降解高分子材料面临的机遇和挑战，美国 Nature Works 公司的甄光明博士提出：一是降低生物源环保高分子 材料的关税和增值税，先进口低原料以开启市场； 二是发展高 端市场及出口市场，建立环保高分子材料加工行业及销售管 道； 三是立法限制使用非完全降解的高分子材料，鼓励安全降解高分子材料的生产和使用； 四是开发改进技术，调整配方，改进性能，降低成本。在国家禁白令和可持续发展战略的支持下，国内外许多 国家都开始对生物降解高分子材料的研究。我国在政策上先 后实施了 《可再生能源法》 《固废法》 及 鼓励生物降解材料的开 发和利用； 《国家中长期科技发展规划纲要》 “十一五” 在和科技发展规划中也将发展生物降解高分子材料作为重要内容之 一。此外，2008 年北京奥运会举办之机，借发展生物降解高 分子材料，“绿色奥运、体现 科技奥运、人文奥运” 的理念。在 国外，日本、美国、欧洲等国家和地区都在加强生物降解高分子材料的研究开发和实用化进程。
高材1008
贾惟聪2010012251
