浅谈生物可降解塑料

摘 要：对可降解塑料进行了简单介绍，介绍了可降解塑料的分类及降解机理，探讨了其发展中存在的问题，并且对可降解塑料的发展前景进行了分析。

关键词：可降解塑料；机理；分类；发展；

一、前言

塑料是一种密度小、强度高、耐腐蚀的高分子材料，被广泛應用于工农业生产和国防工业。然而，随着塑料应用范围和消费量的日益增大，自然界中的普通塑料制品废弃物正以每年2500万吨的速度累积，其中大多数是一次性包装用品，它们重量轻、体积大、难以降解，回收利用比较困难且不经济，严重威胁和破坏人类和动植物的生存环境。随着人类环保意识的加强，可从源头解决“白色污染”问题的可降解塑料已越来越受到重视。根据降解机理，可降解塑料大致分为光降解和生物降解两大类。光降解塑料在吸收紫外光后可发生引发作用，使聚合物分解为较短链的碎片，而后在环境中继续氧化分解，最终转化为无害物质。光降解塑料一般可由普通塑料添加光敏剂共聚合成。随着全球范围内石油资源的日益短缺以及现代生物技术的发展，最具应用前景的还是生物降解塑料[1]。

二、分类

降解塑料按降解的环境条件分类，可分为非（或不完全）生物降解塑料和全生物降解塑料两大类，包括光降解塑料、热氧化降解塑料、淀粉基部分生物降解塑料等。

前者是在普通塑料如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）中加入光敏剂、热氧化剂、生物诱发剂（如淀粉）等，使一次性塑料制品在完成使用寿命后，加速降解。这些塑料袋的应用性能和价格接近普通塑料袋，而且其废弃物在光、热、微生物等环境条件下，也会发生质量劣化、力学性能下降或部分被微生物吞噬等，但不能在较短时间内完全降解成二氧化碳和水。长期跟踪实验发现，塑料只要降解破碎成一定程度的小碎片或粉末，不但不会对植物的根系造成危害，还能够起到疏松土壤的作用。

另一大类为全生物生物降解塑料，包括聚乳酸、脂肪族聚酯、二氧化碳共聚物、聚乙烯醇以及它们与淀粉共混物和塑料合金等，它们的废弃物能在较短时间完全生物降解，但目前仍处于中试和小批量生产阶段，价格比普通塑料高1～10倍，目前较难被市场接受；但从发展来看，具有光明的前景。所以，从减轻环境污染、缓解环境矛盾的角度出发，降解塑料具有一定市场潜力。

目前，国外已采用的光降解技术有合成型和添加型2种。前者是在烯烃聚合物主链上引入光敏基团，后者是在聚合物中添加有光敏作用的化学助剂。现对乙烯共聚物类光降解聚合物研究最多。研究表明，聚乙烯降解成相对分子质量低于500的低聚物后，可被土壤中的微生物吸收降解，具有较好的环境安全性。

生物降解塑料是指在自然环境下通过微生物的生命活动能很快降解的高分子材料。按其降解特性可分为完全生物降解塑料和生物破坏性塑料。按其来源则可分为天然高分子材料、微生物合成材料、化学合成材料和掺混型材料等。天然高分子型是利用淀粉、纤维素、甲壳质、蛋白质等天然高分子材料制备的生物降解材料。这类物质来源丰富，可完全生物降解，而且产物安全无毒性，日益受到重视。

微生物合成高分子聚合物是由生物发酵方法制得的一类材料，主要包括微生物聚酯和微生物多糖，其中以前者研究较多。研究发现，目前可用于合成微生物聚酯的细菌约有80多种，发酵底物主要为C1～5化合物。这类产品有较高的生物分解性，且热塑性好，易加工成型，但在耐热和机械强度等性能上还不够好，而且其成本高，尚未得到良好的应用，现正在尝试改用各种碳源以降低成本[2]。

三、淀粉基塑料的降解机理

（1）生物降解塑料

生物降解塑料是指在一定条件下，在能分泌酵素的微生物（如真菌、霉菌等）作用下可完全生物降解的高分子材料，可分为生物破坏性塑料和完全生物降解塑料。

关于生物降解塑料的降解机理，一般认为：淀粉塑料中的淀粉首先作为微生物（如细菌和真菌）侵噬，使塑料表面积大大增加；同时，微生物分泌出酶，酶进入聚合物的活性位置发生作用，导致聚合物强度下降；另一方面，添加的自氧化剂与士壤中的金属盐反应生成过氧化物，过氧化物可切断聚合物的分子链，而聚合物表面积的增大对此过程又有极大的促进作用，进而使聚合物高分子断裂为低分子物质，并进一步被微生物降解为二氧化碳和水。

（2） 光降解塑料

光降解塑料的降解机理是在塑料体系中引入光敏剂、促氧剂等物质，在光线、热等自然环境作用下，使高聚物的链被断裂，分子量下降，从而被微生物吞噬消化，达到降解目的。光降解（光氧化）发生在有氧，并且光充足、添加催化剂的条件下，像不饱和脂肪酸的金属盐和加成反应的亲核试剂可使光降解能力增加。

（3）光-生物降解塑料

光降解和生物降解的结合不仅使材料的降解可控性提高，同时还克服了单纯光降解材料在阳光不足或非光照下难降解的问题，也克服了单纯淀粉塑料在非微生物环境中难降解的问题。光降解和生物降解具有协同效应，并非是简单的加合。光-生物降解塑料的降解机理是：淀粉等生物降解剂首先被生物降解，这一过程削弱了高聚物基质，使高聚物母体变得疏松，增大了表面/体积比；同时，日光、热、氧、引发光敏剂、促氧剂等物质的光氧化和自氧化作用，导致高聚物的链被氧化断裂，分子量下降并被微生物消化[3]。

四、降解塑料存在问题

生物降解塑料作为高科技生物产品和环保产品正成为当今世界研究和开发的热点。它的发展可从根本上解决传统塑料制品对生态环境的巨大破坏，对日益枯竭的石油资源是一个补充，充分展示了高新生物技术在环保领域的美好前景，具有巨大的发展潜力。然而我们必须认识到，生物降解塑料在大规模应用之前必须解决如下问题[1]：

（1）市场应用。由于生产可降解塑料的成本偏高，造成其在市场中价格偏高，这样就给可降解塑料的推广造成了很大的影响。同时一次性纸制品的迅速崛起也给可降解塑料带来很大的冲击。

（2）降解技术尚不成熟。目前很多的光降解塑料都是在塑料中添加光分解剂或者光敏剂，而这些添加剂对塑料的降解效果受到地理环境和气候的影响很大，这样就很难做到准确控制降解时间，同时，埋地部分和进入垃圾填埋系统部分也很难得到降解。目前有些所谓生物降解塑料是以简单的物理共混工艺，将淀粉填充到聚乙烯等树脂内，虽可加工吹塑成膜，但这种“降解”薄膜，待其内所含淀粉被生物降解后，其聚合物骨架在很长时间内（约20年）仍有50%残留量，反而为废弃塑料的回收加工处理增加了困难。

（3）降解塑料的标准及试验评价方法。对于降解塑料，世界上尚没有统一的定义、试验评价方法、识别标志和产品检测技术，致使缺乏正确统一的认识和确切的评价，产品市场比较混乱，真假难辩[4]。

五、发展方向

生物可降解高分子材料因其独特的性能而具备了良好的发展前景。以可再生资源研究开发生物可降解高分子材料是出于对资源与环境的考虑，目前虽然关于这方面的研究工作还存在许多尚未解决的问题，但相信随着科学发展，技术日益进步，材料性能普遍提高，加上公众环保意识的进一步增强，可再生资源在生产生物可降解材料方面的利用前景会更加广阔。加之石油资源日益枯竭，发展非石油生物降解塑料具有极其深远的意义[5]。

参考文献：

[1]朱复海，孟娟，朱申红. 生物降解塑料的开发与应用[J].青岛建筑工程学院学报，2003，24（1）：97.

[2]钱伯章，朱建芳. 生物可降解塑料发展现状与前景[J].现代化工，2008，28 （11） ： 82-87.

作者简介：

何乐秋，（1995.10.09-），女，满族，辽宁省锦州市人；职称：学生；单位：郑州大学；研究方向：化学工程与工艺.