生物可降解高分子材料的研究

康宇玲 韓玉

【摘要】生物可降解高分子材料作為一種環保型高分子材料引起了廣泛關注。生物可降解高分子材料指在特定條件下能夠在微生物分泌酶的作用下被分解成小分子的材料。本文筆者從生物可降解高分子的機理、應用領域、影響因素與發展前景等發面對生物可降解高分子進行分析與闡述。

【關鍵字】生物降解;高分子;材料

隨著經濟的不斷發展，人們生活水平的不斷提高，大量的高分子材料在各個領域發揮重要作用，而廢棄的高分子材料對環境的污染也日益嚴重。廢棄塑料的處理方法主要分為掩埋和焚燒，這兩種方法都會產生新的污染物污染環境。針對這一問題，許多國家實行了3R工程，3R指的是減少使用（Reduction）、重復使用（Reuse）、循環回收（Recycle）。但這只是減少了廢棄塑料的使用，沒有從根本上解決問題。如今，各種存在的處理廢棄塑料的方法都會造成污染，因此研究與開發環境可接受的降解性高分子材料是解決環境污染的重要方法。

1生物可降解高分子材料的用途

生物可降解高分子材料也被稱為“綠色生態高分子材料”，它在環境日益污染的今天發揮著重要的作用，主要分為以下幾個部分。

1.1解決環境污染問題

利用生物可降解高分子的生物可降解性有效解決環境污染問題。據統計，目前世界的高分子材料的產量已經超過1.2億噸，這些高分子材料在被使用后產生了大量廢棄物，這些廢棄物變成污染源，造成地下水與土壤的嚴重污染，進一步危害動植物的生長，對人類更是極其不利。20世紀90年代初期，在可以用來處理固體廢物垃圾填埋的場地用完以后，一些發達國家開始向落后國家出口垃圾，這一行為對發展中國家的影響是巨大的。一系列環境危機引發了人類的覺醒，發展可降解的環境友好型的材料成了科學家們的主要研究的方向，生物可降解高分子材料的出現為人類解決了這一難題，它能在一定條件下，利用微生物分泌酶的作用進行分解，大大減少了對環境的污染。

1.2生物可降解高分子在醫療器材中的使用

利用生物可降解高分子的特性可以制作生物醫用材料。使用可降解高分子制作成的藥物可以在人體內分解，參與人體的新陳代謝。在生物可降解分子研究的初期，研究內容主要集中于部分降解的可崩潰型高分子材料的研究，但現在這一研究已經逐漸被否定。目前許多國家仍然在不斷研究與發展生物可降解性的高分子材料，然而由于技術水平與成本的制約，生物可降解高分子的研究還沒有達到令人滿意的程度。

1.3生物可降解高分子材料在包裝行業中的應用

眾所周知，包裝行業中使用高分子材料的情況非常多，大量的廢棄包裝材料對環境的污染程度是可想而知的。目前市面上各種包裝材料主要以聚乳酸為首。聚乳酸具有良好的隔水性和透明性。作為基本材料的乳酸是人體可接受的固有物質之一，這使得聚乳酸對人體無毒無害，被廣大消費者接受。而傳統的包裝材料由合成樹脂構成，由于傳統樹脂的分解性不強，廢棄的包裝材料造成了40%的城市垃圾，成為最主要的環境污染源。

2生物可降解高分子的降解機理

生物降解指微生物的分解作用，在高分子領域指的是高分子材料在溶劑化，簡單水解和酶反應等條件下，轉化為相對簡單的中間產物或小分子的過程。高分子材料的生物降解主要由水合作用，強度損失，物質整體化喪失和質量損失4個階段組成。水合作用是指由范德華力氫鍵所維系的二次、三次結構的破裂而引發的水合作用。接下來在化學作用或酶的催化作用下，高分子主鏈可能破裂，造成高分子材料的強度降低。而高分子主鏈、交聯劑、外懸基團的開裂會進一步造成交聯高分子材料強度的降低，高分子鏈進一步斷裂。高分子鏈的不斷斷裂造成質量損失和相對分子質量的降低，相對分子質量低到一定程度后就會被酶分解代謝稱為水和二氧化碳等。由此可見，生物的降解過程并非是單一的化學反應，而是復雜的生物物理，生物化學的協同作用，是物理化學生物相互影響促進的過程。

3影響生物可降解高分子降解性的因素

3.1生物高分子的分子主鏈的影響

四大通用塑料聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯都具有C—C鍵為主鍵的結構，使得它們對微生物的阻抗性很高，而根據研究表明，當聚合物的主鏈上含有C-O，C-N鍵時，聚合物對生物降解的敏感性大大提高。因此，根據共聚原理，想要制備出生物降解塑料就必須要在聚合物中引入易于生物降解的化學鍵。

3.2支化與分子量對生物高分子降解的影響

國外研究表明，對分子量范圍為170～620的線性與支鏈型碳氫聚合物的生物降解性進行分析比較，結果表明支鏈型聚合物的真菌生長速度與線性聚合物相比明顯小得多，也就是說線性的碳氫聚合物更易于降解。同時分子量的大小對高分子材料的影響也是巨大的，例如PS、PE、聚丁二烯和聚異丁烯只有在分子量小于特定值后才能夠被菌種所分解。

3.3降解環境對生物高分子降解的影響

雖然材料結構是決定生物大分子降解的主要因素，但是環境對生物大分子材料的降解也有一定的影響作用。降解環境主要指降解過程中的水，溫度，酸堿度和氧濃度等。水是微生物生長與代謝的基本條件，只有水的供應量足夠，微生物才可以進行分解材料。而溫度對微生物也有影響，每一種微生物都有適合其生長的最佳溫度與酸堿度，一般來說真菌生長在酸性條件下，而細菌在堿性條件下的生長更加迅速，想要提高降解效率，就必須要保證微生物的正常生長，為微生物提供合適的溫度，酸堿度等生長環境。

4生物可降解高分子的前景展望

由于我國生物高分子技術的研究并不成熟，國內的生物可降解高分子的開發與應用還存在一些問題。比如：產品價格過高，產品的性能和用途受到限制，產品生產技術不夠成熟等。盡管高分子市場存在許多不足，隨著人們環保意識的增強和我國環保法規的不斷完善，生物可降解高分子的市場仍在迅速增長。塑料薄膜、包裝材料、醫用材料等領域生物可降解高分子材料的研究將會得到更好的發展。目前針對如何解決市場出現的問題，研究者正在不斷努力，降低開發生產成本，對現有的可降解高分子進行性能改進，以獲取更高質量的高分子材料。研究開發低成本，高性能，具有降解時控性，高效性和徹底性的生物高分子材料成為高分子領域的主要研究方向。

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