崔文娟
(銅川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 銅川727031)
摘 要:塑料產(chǎn)品的使用，可降解塑料是一種能夠在特定條件下通過(guò)降解反應(yīng)，發(fā)生分解的塑料。該類塑料能有效 緩解目前塑料廢棄物導(dǎo)致的環(huán)境污染問(wèn)題，且具有容易處理、原材料來(lái)源廣泛等優(yōu)勢(shì)。在國(guó)家政策引導(dǎo)及環(huán)境治理 需求的基礎(chǔ)上，可降解塑料受到了廣大科研工作者的高度重視。文章綜述了可降解塑料的種類及其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、醫(yī) 藥領(lǐng)域、食品包裝領(lǐng)域的應(yīng)用，并對(duì)可降解塑料的前景進(jìn)行展望。
關(guān)鍵詞:可降解;塑料;種類;應(yīng)用
0 引 言
塑料產(chǎn)品的使用，給人類的日常生活與生產(chǎn)帶來(lái)極大的便利，2019年全球塑料產(chǎn)量高達(dá)3.5億t，我國(guó)塑料產(chǎn)量接近1億t[1]，但伴隨大量塑料制品使用后廢棄而來(lái)的是環(huán)境污染問(wèn)題，尤其是不易回收利用與降解的塑料制品，更是成為全球塑料污染治理的難題。清華大學(xué)教授、合成與系統(tǒng)生物學(xué)中心主任陳國(guó)強(qiáng)在2018年舉行的國(guó)際生物聚酯大會(huì) 上列出一份最新的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù):目前全球每年僅一次 性塑料制品就達(dá)1.2億，其中只有10%被回收利用，另外約12%被焚燒，超過(guò)70%被丟棄 到土壤、空氣和海洋中。我國(guó)土壤中僅每年殘留的農(nóng)膜就高達(dá)35萬(wàn)t，殘膜率42%。大量農(nóng)膜殘留在農(nóng)田0~30厘米的耕作層中，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和食品安全帶來(lái)了巨大的威脅。在國(guó)家政策引導(dǎo)及環(huán)境治理需求的基礎(chǔ)上，可降解塑料受到了廣大科研工作者的高度重視。近年來(lái)，我國(guó)各部委也相繼出臺(tái)了多個(gè)關(guān)于塑料制品，尤其是一次性塑料制品使用的禁止與限制使用政策，預(yù)計(jì)2025年底，在全國(guó)范圍內(nèi)逐步停止使用不可降解塑料袋[2]。
塑料垃圾污染問(wèn)題，最重要的原因在于塑料的化學(xué)性質(zhì)。塑料是單體聚合而成的高分子化合物，其結(jié)構(gòu)中的碳分子長(zhǎng)鏈?zhǔn)掷喂?，不易斷裂，這是造成普通塑料難以分解的主要原因。可降解塑料的原理便是降低碳分子長(zhǎng)鏈的斷裂難度，使其易由聚合體分解為小片段，再進(jìn)一步降解為二氧化碳和水。相比于普通塑料，可降解塑料的降解過(guò)程更快速，條件要求更低[3]。因此，可降解塑料的使用，是目前公認(rèn)的能夠有效解決塑料污染問(wèn)題的途徑之一，可降解塑料是指在塑料制品的儲(chǔ)存、使用期限內(nèi)滿足使用性能要求，使用后，可在自然條件下自行降解成為對(duì)環(huán)境無(wú)害的小分子化合物的塑料。在塑料污染的高壓和政策的強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)下，可降解塑料將成為未來(lái)塑料制品發(fā)展的新趨勢(shì)。就目前為止，可降解塑料的種類及應(yīng)用進(jìn)行綜述，為相關(guān)領(lǐng)域工作人員提供參考。
1 可降解塑料的種類
塑料主要是以石油為原料[4]，通過(guò)聚合反應(yīng)獲得的一類高聚物，其特點(diǎn)是高聚物主鏈含有碳-碳σ單鍵，碳-碳σ單鍵較為牢固，不易斷裂，這也是塑料制品不易降解的主要原因。對(duì)普通塑料經(jīng)過(guò)特殊處理后，使其分子鏈易斷裂，最終分解為對(duì)環(huán)境無(wú)毒無(wú)害的小分子化合物，而目前，可降解塑料主要有生物降解塑料、光降解塑料、化學(xué)降解塑料三大類。
1 .1 生物降解塑料
生物降解塑料是指能在真菌、細(xì)菌、藻類等微生物作用下，發(fā)生大分子鏈的斷裂，從而發(fā)生降解，最終分解為二氧化碳、水等代謝產(chǎn)物的一類塑料。根據(jù)微生物與塑料之間的作用機(jī)理及塑料的性能，生物降解塑料分為生物破壞性降解塑料和全生物降解塑料。
1.1.1 生物破壞性降解塑料
生物破壞性降解塑料是微生物與塑料之間發(fā)生物理分解作用，即微生物附著于塑料表面進(jìn)行增殖，在高分子材料上發(fā)生電離、水解等一系列物理分解過(guò)程，使高分子材料分解成低聚物片段的一類塑料，因此生物破壞性降解塑料也叫不完全性生物降解塑料。該類塑料主要通過(guò)在傳統(tǒng)塑料中加入淀粉、纖維素、小麥粉等天然物質(zhì)，制成淀粉型、蛋白質(zhì)型、纖維素型塑料。這類塑料降解時(shí)，只是將大分子鏈降解成了低聚物片段，并未將碳鏈以二氧化碳、水的形式釋放于環(huán)境中，即碎片中的石油基塑料[5]仍然殘留于環(huán)境中，仍然會(huì)引發(fā)土壤板結(jié)、水土流失等環(huán)境問(wèn)題。
1.1.2 全生物降解塑料
全生物降解塑料是微生物與塑料之間發(fā)生生物化學(xué)作用，即高分子材料在微生物代謝產(chǎn)生的酶等化合物作用下，逐漸發(fā)生氧化分解作用，最終被降解為二氧化碳、水等小分子化合物的一類塑料。該類塑料主要由纖維素、淀粉等天然高分子材料制備而來(lái)。主要包含三個(gè)類別，第一類為微生物代謝酶作用下合成的，具備生物降解性能的微生物合成塑料，如聚酯。第二類為天然高分子塑料，具有熱塑、可降解性能，如全淀粉塑料。 第三類為以淀粉為原料，經(jīng)結(jié)構(gòu)改造后合成的，具有良好機(jī)械性能、生物可降解等性能的生物降解塑料，如聚乳酸。
1 .2 光降解塑料
光降解塑料是指吸收光能后，高分子鏈發(fā)生斷裂，從而發(fā)生降解的一類塑料。根據(jù)吸光基團(tuán)引入方式不同，分為共聚型光降解塑料和添加型[6]光降 解塑料兩種。不論是共聚型光降解塑料還是添加型光降解塑料，因受其降解反應(yīng)條件的限制，例如該類 塑料被埋入土中，或接受光照不足的條件下，則無(wú)法發(fā)生降解，所以該類塑料的使用有一定的局限性，無(wú)法大范圍推廣使用。
1 .2 .1 共聚型光降解塑料
共聚型光降解塑料是由CO、CH2=CH2等單體經(jīng)過(guò)共聚反應(yīng)，形成主鏈具有羰基等不飽和弱鍵的一類高分子材料。該類高分子材料在光照條件下，不飽和弱鍵吸收紫外光后，發(fā)生共價(jià)鍵的斷裂，從而發(fā)生降解反應(yīng)。因其結(jié)構(gòu)中不飽和弱鍵的存在，導(dǎo)致其在使用與儲(chǔ)存過(guò)程中， 一旦接受光照，即可能引發(fā)其性能的改變，所以該類材料很難應(yīng)用于實(shí)際中。
1 .2 .2 添加型光降解塑料
添加型光降解塑料是指在聚合制備普通塑料的過(guò)程中，加入能夠吸收紫外光的有機(jī)、無(wú)機(jī)類光敏物質(zhì)[7]，增強(qiáng)高分子材料光降解能力的一類塑料。有機(jī)光敏物質(zhì)主要包括羰基類化合物、芳香族化合物，如對(duì)苯醌、二苯乙酮等，無(wú)機(jī)光敏劑主要是過(guò)渡金屬化合物。光敏劑吸收紫外光后主要發(fā)生共價(jià)鍵的均裂，產(chǎn)生自由基，自由基進(jìn)一步促進(jìn)高分子鏈的斷裂，發(fā)生降解。該類塑料可通過(guò)調(diào)節(jié)光敏劑的加入量控制其分解周期的長(zhǎng)短。而該類光降解塑料的缺陷是里面添加的光敏劑是否會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，尚不明確，因此其應(yīng)用仍然受到限制。
1 .3 新型可降解塑料
英國(guó)交響環(huán)境公司曾研制出一種壽命可預(yù)先控制的塑料，該類塑料會(huì)在預(yù)先設(shè)定的壽命期限內(nèi)發(fā)生降解，只生成H2O和CO2。其特征是添加劑無(wú)毒無(wú)害，可從自然資源中獲取，只占3%的比例，對(duì)塑料的使用性能幾乎無(wú)影響，甚至可提高塑料的強(qiáng)度。德國(guó)科研人員借助化合物的揮發(fā)性，將聚苯乙烯與聚甲基丙烯酸甲酯混合于一種溶劑中，涂抹于相機(jī)鏡頭，之后除去聚苯乙烯，制成含有0.1μm 微孔的膜，極大的提高了相機(jī)的透光率。
2 可降解塑料的應(yīng)用
2.1 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的塑料是能夠保濕、保溫的地膜。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2015年地膜覆蓋面積高達(dá)0.18億hm2[8]，預(yù)計(jì)2024年可達(dá)0.22億 hm2，使用量將高于200萬(wàn)t，且每年新增30萬(wàn)t左右不可降解的殘留地膜。傳統(tǒng)地膜使用后，若沒(méi)有及時(shí)清理，會(huì)導(dǎo)致土地板結(jié)，甚至影響農(nóng)作物生長(zhǎng)。而可降解塑料，尤其是生物降解塑料的出現(xiàn)，能夠解決該問(wèn)題。地膜使用時(shí)，及使用后，絕大部分需要用土壤覆蓋，而這種環(huán)境恰巧為生物可降解塑料提供了良好的降解環(huán)境，使其在使用廢棄后被微生物降解，生成小分子化合物，極大的避免了地膜使用后的污染問(wèn)題。例如巴斯夫公司研發(fā)制備的可降解聚酯高分子材料，其壽命為3個(gè)月，在使用的3個(gè)月內(nèi)會(huì)被降解，而作物損失量?jī)H為5%左右[9]。
2 .2 醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用
隨著社會(huì)的進(jìn)步，在醫(yī)藥領(lǐng)域，塑料制品的使用量逐年增大，隨之而來(lái)的是較大的廢棄量帶來(lái)的環(huán)境污染壓力。可降解塑料的出現(xiàn)，極大的緩解了因不可降解廢棄塑料引發(fā)的環(huán)境污染問(wèn)題?？山到馑芰显跐M足其降解條件的情況下，可在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生降解，由大分子化合物降解為小分子化合物，進(jìn)入環(huán)境循環(huán)體系或生物循環(huán)體系，例如，具有加工性能好，熱穩(wěn)定性高，溶解性好等優(yōu)良特性的聚乳酸，使用廢棄后可通過(guò)自然降解的方式處理，也可焚燒處理，焚燒處理時(shí)無(wú)有毒有害氣體釋放，因此其在醫(yī)藥領(lǐng)域如手術(shù)縫合、骨科固定等方面應(yīng)用廣泛。另外，目前全球產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的聚羥基烷酸在心臟膜瓣、血管等組織工程中得到了廣泛應(yīng)用。
2 .3 食品包裝領(lǐng)域的應(yīng)用
傳統(tǒng)食品包裝材料具有力學(xué)性能好、耐熱能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但絕大部分為不可降解塑料，而隨著包裝材料的廢棄，引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，例如餐飲行業(yè)的外賣盒，因其不可降解的性能，一度造成嚴(yán)重的“白色污染”環(huán)境問(wèn)題。目前已經(jīng)有多種可降解塑料應(yīng)用于食品包裝行業(yè)。例如將聚3-羥基丁酸酯 -co-4-羥基丁酸酯與木質(zhì)素結(jié)合制備而成的用于包裝的復(fù)合型材料，既能有效阻隔二氧化碳、氧氣滲透，又有較強(qiáng)的韌性，解決包裝問(wèn)題的同時(shí)也解決了塑料降解問(wèn)題 。
3 結(jié) 語(yǔ)
目前的社會(huì)需求與政策導(dǎo)向，決定了可降解塑 料的巨大發(fā)展空間，正受到廣泛的關(guān)注。但可降解塑料的優(yōu)勢(shì)與弊端并存，主要優(yōu)勢(shì)是可降解、材料來(lái) 源廣泛，易處理、危害小，不再單純的依賴于石油資源，是解決“白色污染”的有效途徑。而弊端則是其 使用性能與生產(chǎn)成本問(wèn)題，通常可降解塑料耐熱性 能、力學(xué)性能較普通塑料差一些，且其生產(chǎn)成本較高。研發(fā)性能優(yōu)良、生產(chǎn)成本低的可降解塑料將是 未來(lái)塑料行業(yè)的后起之秀。
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