天然聚合物的應用與可持續發展

王　娜　張　瀾　胡曉文

[摘要]利用纖維素、淀粉、半纖維素和殼素、木質素、蛋白質，或者其他天然聚合物都能得到我們所需的塑料。從天然聚合物得到啟發，我們可以由可再生原材料制備許多有用的新型材料，以達到可持續發展的目標。

[關鍵詞]天然聚合物 纖維素 淀粉 半纖維素和殼素 木質素 蛋白質 可持續發展

中圖分類號：TQ31 文獻標識碼：A 文章編號：1671－7597（2009）0720004－01

一、引言

今天使用的許多有機化工產品都是由不可再生的煤、石油、天然氣制備的。這些物質使用后生成二氧化碳這種導致全球變暖的溫室效應氣體。為了可持續發展，有機產品最好能以田野和森林的可再生資源制備。本文主要介紹纖維素、淀粉、半纖維素和殼素、木質素、蛋白質，這幾種天然聚合物在可持續發展中的應用。

二、纖維素

木材中含有纖維素以及24%的半纖維素和22%的木質素。在棉花、劍麻、黃麻、亞麻、大麻以及其他類似的產品中也有纖維素。它是一種葡萄糖的聚合物。用Acetobacter xylinum的方法能從蔗糖中制得纖維素。這種細菌纖維素具有很高的機械強度，如果做到降低成本，將會成為一種重要材料。

亞麻制品具有很好的舒適感和強度，吸水性也比棉花更優。目前人們嘗試改進將纖維素與亞麻作物的其他部分分離的工藝，使制作流程更簡單。原先漚麻工藝是將作物在濕地里浸放幾周，新的方法則包括十二烷基磺酸鈉和草酸在75℃下加熱2h以及蒸汽處理。通過在甲基丙烯酸甲酯或2-羥乙基異丁烯酸上接枝，亞麻的堅韌度能改善50%、黃麻可改善110%。亞麻作物可作為衣物纖維、油漆涂料、環氧衍生物等的來源。

很多纖維素的衍生物，主要是酯類和醚也被制造出來。如今商業上加以利用的有甲基、乙基、羧甲基、羥乙基和羥丙基醚，它們被用作水溶性高分子。只有乙基纖維素，它是一種堅硬的塑料，被用作工具手柄等。用聚乙二醇塑化后的甲基纖維素被證明可用于防止水果水分流失的可食用涂層。纖維素衍生物不能大量推廣的主要原因是，相對于聚烯烴和其他從石油、天然氣得到的塑料而言，它們的成本更高。如果設計出更簡單、更廉價的方法來制備纖維素衍生物，它們會更有競爭力。

三、淀粉

淀粉也是葡萄糖聚合物，以α-1，4苷鍵連接，主要有線型的直鏈淀粉和大分子量的支鏈淀粉。從含有30%水分的高直鏈淀粉混合物中擠壓出來的淀粉纖維，適于制造紙張和織物。使用前，需加入乙二醛或己二醛來實現部分交聯以增加防水性。含有水或丙三醇壓縮模式的高直鏈淀粉比較堅硬，如果加入纖維素微纖則更堅硬。因為增塑劑會隨著時間揮發而轉移或濾除，所以最好使用像聚丙三醇、聚環氧乙烷這樣的高分子增塑劑。目前可將含有水或丙三醇的淀粉模塑成型制造餐具、食用器皿和其他物品，最好再增加一層薄膜以增強防水性。薄膜的原料可以從角質、樹葉外層和水果外皮的蠟狀物等食品加工廢料中得到。

通過擠出淀粉－甲基丙烯酸酯接枝共聚物可以制得堅硬的革制塑料。因為淀粉比纖維素更柔順，所以能用擠壓機制備它的很多衍生物。使用聚合物混合物可以改善防水性，例如使用淀粉與乙烯和乙烯醇的共聚物混合物就可以達到這個目的。通過烘焙淀粉和水合聚乙烯醇的混合物可制得發泡餐具。這兩者都需要水或丙三醇作增塑劑。將30%的合成聚酯與70%的淀粉或麥麩模塑成型已經制得刀叉、餐具等產品。

四、半纖維素和殼素

少量的半纖維素正用于水解生成木糖，以便催化加氫得到甜味佐料－木糖醇。另一種很好的用途是將半纖維素用作發酵的底物。包含14%膠質、12%半纖維素和41%木質纖維素的蘋果廢料可以被注射成型。

殼素也是一種未被充分利用的原料。它是地球上含量最豐富的高分子之一，存在于蚌殼、蝦殼等殼中。它是一種乙酰氨基葡萄糖的聚合物。水解殼素得到的胺叫做殼聚糖。部分酰基化（如乙酰基、丁酰基、己酰基或十二酰基）的殼聚糖可以從水溶液中紡制，接著加熱到高于180℃，可得到在水和甲酸中不溶的具有高拉伸強度和模量的纖維。利用殼聚糖作為凝結劑處理制造豆腐的廢水，可用作動物飼料。

五、木質素

大部分從造紙業獲得的木質素都僅僅被用作燃料。幾乎所有的木質素都是通過加入磺酸基團的Kraft工藝，從木材中提取出來的。有一種新的工藝流程但還沒有商業化，它是將木材與水合乙醇反應，從而提取木質素。這種“organosolv”木質素具有低于1000的平均分子量和2.4～6.3的多分散性，并在一些有機溶劑和稀堿中溶解。這種木質素在黏合劑和樹脂中比Kraft木質素具有更多的用途，已經被用作乙烯乙酸乙烯酯共聚物的增強填料。

木質素與苯乙烯的接枝共聚物是熱塑性的。IBM正將木質素用于電路板中。通過加入聚乙酸乙烯酯、二苯甲酸二乙基乙二酯和茚，已經制得包含85％非衍生Kraft木質素的塑料。木質素的加入使木質素－淀粉復合物比單獨使用淀粉的疏水性強。

六、蛋白質

將蛋白質用于塑料可追溯到亨利福特對大豆的研究。基于蛋白質的薄膜、纖維和塑料所遇到的問題是：太脆，吸水性太強和需要防止微生物降解以保證其穩定性。其中太脆是因為分子量低，鏈間氫鍵太多，或者交聯太密。可以通過加入增塑劑以破壞氫鍵，最好這些增塑劑能聚合起來，甚至接枝到蛋白質上，以防止濾去、移走或揮發。減少脆性最好的方法是將橡膠輕度接枝到聚合物上。加入增強纖維和填料，如玻璃纖維也可以增加強度。通過增加疏水基團可以減少吸水性，這些方法用于蛋白質已經獲得一些成功。

大豆蛋白塑料可被多羥基醇塑化，比如與丙三醇、乙二醇和丙二醇。這種塑料如果保持干燥，就具有與工程高分子塑料相競爭的潛力。牛奶蛋白和酪蛋白可以制備許多有用的塑料。最好使用甲醛作交聯劑，以及更溫和的交聯劑效果會更好。經堿、酶或胰島素處理過的大豆蛋白是很好的黏合劑。用新的改良過的大豆蛋白質膠制造出的膠合板具有與傳統酚醛樹脂相媲美的性能。

七、結論

利用纖維素、淀粉、半纖維素和殼素、木質素、蛋白質，以及其他天然聚合物都能得到我們所需的塑料。理想情況下，塑料或其他產品應該具有類似或比石油提煉出來的產品更好的性能。在生產化工產品的過程中，能量是必須考慮的一個重要因素，因此可再生資源一定會取代現今使用的礦物化石類燃料能源，生產塑料將不需要更多能量，成本低廉。

參考文獻：

[1]謝紅濤，綠色化學與環境保護[J].內江科技，2006，（8）.

[2]高雅榮，解讀綠色化學[J].陶瓷研究與職業教育，2006，（4）.

[3]何天白，智能材料的時代展望21世紀的高分子化學[J].何天白，2002，（2）.