史上最全的可降解材料知识!赶紧收藏~

近年来,随着经济的飞速发展,人们对物质和精神的追求越来越高,对产品的包装也相应的有了更高要求,人们在购买产品时,不仅看外包装的美观程度,还考虑其他各种各样的功能。

正是由于人们对产品包装的追求不断提升,很多新型包装材料不断被应用到产品包装中。

合成高分子材料具有质轻、强度高、化学稳定性好以及价格低廉等优点,与钢铁、木材、水泥并列成为国民经济的四大支柱,被广泛应用到产品的包装中。

然而,其使用后的大量废弃物也与日俱增,成为白色污染源,严重危害环境,造成下水及土壤污染,危害人类生存与健康,给人类赖以生存的环境造成了不可忽视的负面影响。

另外,生产合成高分子材料的原料——石油也总有用尽的一天。因而,寻找新的环境友好型材料,发展非石油基聚合物迫在眉睫,而可生物降解材料正是解决这方面问题的有效途径。

可生物降解材料定义及降解机理

生物降解材料,亦称为“绿色生态材料”,指的是在土壤微生物和酶的作用下能降解的材料。具体地讲,就是指在一定条件下,能在细菌、霉菌、藻类等自然界的微生物作用下,导致生物降解的高分子材料。

理想的可生物降解材料是一种具有优良的使用性能、废弃后可被环境微生物完全分解、最终转化成CO2 和H2O而成为自然界中碳素循环的一个组成部分的高分子材料。

生物降解材料的分解主要是通过微生物的作用,因而,生物降解材料的降解机理即材料被细菌、霉菌等作用消化吸收的过程。

首先,微生物向体外分泌水解酶与材料表面结合,通过水解切断表面的高分子链,生成小分子量的化合物,然后降解的生成物被微生物摄入体内,经过种种代谢路线,合成微生物体物或转化为微生物活动的能量,最终转化成水和二氧化碳。按其降解的化学本质则分为水解和酶解两种。

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水解机理

材料的降解实质上是其内部的高分子链段在特定条件下断裂成低分子量的寡聚物,并最终分解为单体的过程。

材料的“溶蚀”则是指由于分子链发生断裂,形成的水溶性小分子物质离开聚合物材料,导致材料的力学性能降低,材料最终完全消失的过程,溶蚀又可表面溶蚀和整体溶蚀。

如果分子链段的降解速度比水分子在材料中的扩散速度快,链段的水解限制在材料表面,而很难进入到材料的内部,这种方式属于表面溶蚀或异相溶蚀,如果水分子在材料的扩散速度比高分子链段的水解速度快,那么材料表面和内部的降解同时进行,因此属于整体溶蚀。

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酶解机理

酶促水解机理

对于易水解的聚合物,在体内可能同时存在单纯的水解和酶催化水解两种作用。脂肪酶能促进聚酯分解,而水解酶可促进易水解聚合物的降解。

脂肪酶R.delemer lipase、Rhizopus arrhizus lipase、Pseudomnas lipase为PCL的特异性降解酶,在这些酶存在下,PCL降解速度加快,在通常情况下完全降解需要2-3年,而在酶的存在下完全降解时间缩短为几天。

酶促氧化机理

对一些非水解性聚合物,其可能的降解机理是酶促氧化机理。免疫组织学研究证实,材料在体内最后通过吞噬细胞内吞作用而被吸收代谢的。

高分子生物材料植入体内后,在局部会引起不同程度的急性炎症反应,当组织受到损伤后,周围血管的通透性发生变化,多核白细胞迅速向炎症部位移动,被激活的中性粒细胞能使单核细胞分化为巨噬细胞。

多形核白细胞和巨噬细胞的代谢产生出大量的过氧阴离子(O2),这种不稳定的中间体进而转换为更强的氧化剂过氧化氢。体内的还原型辅酶(NADPH),氧化酶都参与了这个转化反应,而过氧化歧化酶(SOD)则起到加速转化的作用。

过氧化氢有可能在植入部位引发聚合物自身分解反应;同时过氧化氢在肌过氧化酶(MPO)的作用下可进一步转化为次氯酸。次氯酸也是一种生物材料的强氧化剂,可氧化聚酰胺、聚脲、聚氨酯中的氨基,使高分子链断开,从而达到降解的作用。

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在生物可降解材料中,对降解起主要作用的是细菌、霉菌、真菌和放线菌等微生物,按其降解作用的形式又可分为3种:

1、生物的物理作用,由于生物细胞的增长而使材料发生机械性毁坏;

2、生物的生化作用,微生物对材料作用而产生新的物质;

3、酶的直接作用,微生物侵蚀材料制品部分成分进而导致材料分解或氧化崩溃。

可生物降解材料的特点

生物降解材料具有以下特点:

1、可与垃圾一起处理,也可制成堆肥回归大自然;

2、因降解而使其体积减小,延长填埋场使用寿命;

3、不存在普通塑料需要焚烧的问题,可抑制二嗯英等有害气体的排放;

4、可减少随意丢弃对野生动植物的危害;

5、储存运输方便,只要保持干燥,不需避光;

6、应用范围广,不但可以应用于农业和包装行业,还可以广泛应用于医疗行业。

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可生物降解材料的分类

生物可降解材料按降解机理和破坏方式可分为完全生物降解型和生物破坏性材料两种:

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完全生物降解材料

完全生物降解材料是指本身可以被细菌、真菌、放线菌等微生物全部分解的生物降解材料。它能在细菌或其水解酶作用下,最终分解成二氧化碳和水等物质回归自然,所以被称为“绿色材料”。

从制备方法上可分为3 种:微生物发酵法、化学合成和天然高分子共混。

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生物破坏性材料

生物破坏性材料是对材料水平而言的,主要是天然高分子与通用型合成高分子通过共混或共聚而制成的降解材料。其组合方式有以下几种:

1、用熔融和溶液共混的方法;

2、将一种高分子材料分散于另一种高分子的水溶液中,形成悬浮体系,最后制成各种复合物;

3、将天然高分子材料分散或溶解在可进行聚合反应地体系中,进行均聚和共聚合反应,使体系中地单体聚合,得到含天然高分子地复合材料;

4、将天然高分子在适当的条件(如酸性或碱性等)下进行适当的降解,并使降解后的分子链段与其它单体聚合反应,从而制备具有生物降解性能的新型共聚物。

可生物降解材料的应用

生物降解材料是20世纪80年代后随着环境、能源等矛盾的突出而发展起来的新型材料,可以部分代替通用塑料。目前,生物降解材料主要应用在环保和医学领域。

生物降解材料发展面临的问题

近年来,国内外可生物降解材料得到了很快地发展.尤其是一次性使用材料制品,如可降解食品包装袋、饮料瓶、农用薄膜等已实现了工业化生产。但是目前可生物降解材料的开发和应用还存在以下的一些问题:

1、市场应用:由于生产可降解材料的成本偏高,造成其在市场中价格偏高,这样就给可降解材料的推广造成了很大的影响。

2、技术与工艺:与传统塑料相比,可降解材料存在抗水性差、力学性能差和加工性能差的问题,很难满足工业化生产要求.另外,降解材料准确的降解时控性,用后快速降解性、彻底降解性以及边角料的回收利用技术等还有待进一步提高和完善。

3、降解材料的标准及实验评价方法:对生物降解材料,世界上尚没有统一的实验评价方法,识别标志和产品检测技术,致使缺乏正确统一地认识和确切地评价,产品市场比较混乱,真假难辩。

可生物降解材料的前景展望

近年来,随着原料生产和制品加工技术的进步,可生物降解材料备受关注,成为可持续、循环经济发展的焦点。无论是从能源替代、二氧化碳减少,还是从环境保护以及解决“三农”问题上,都具有重要意义。

目前我国生物降解材料开发和应用领域,在自主知识产权、创新型产品等方面的研发能力、投入量等方面均有待提高,生物降解材料的回收处理系统还有待完善。

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为了更好地实现可生物降解材料的产业化,今后还应该在以下几个方面做出努力:

1、建立快速、简便的生物降解性的评价方法,反映降解材料在自然界中生物降解的实际情况;

2、进一步研究可生物降解材料的分解速率、分解彻底性以及降解过程和机理,开发可控制降解速率的技术;

3、通过结构和组成优化、加工技术及形态结构控制等,开发调控材料性能新手段;

4、为了提高与其他材料的竞争力,必须研究和开发具有自主知识产权的新方法、新工艺和新技术,简化合成路线,降低生产成本,参与国际竞争。

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