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1、生 物 降 解 材 料 PBS 生 物 降 解 材 料 簡 介生物降解材料提出背景 能 源 過 度 消 耗生 態(tài) 環(huán) 境 惡 化 生 物 降 解 材 料 簡 介什么是生物降解材料？定 義 ： 目 前 為 止 ， 國 際 上 對 生 物 降 解高 分 子 材 料 的 定 義 仍 未 達 成 統(tǒng) 一 。 美國 測 試 與 材 料 協(xié) 會 (ASTM)通 過 的 生物 降 解 塑 料 的 定 義 是 :生 物 降 解 塑 料是 指 在 自 然 界 條 件 下 ， 能 為 微 生 物 所 降 解 的 塑 料 。國 際 上 對 生 物 降 解 聚 合 物 嚴 格 意 義 上 的 定 義 是 :在 有 氧

2、 及無 氧 條 件 下 ， 聚 合 物 在 微 生 物 及 動 植 物 體 的 作 用 下 ， 其物 理 、 化 學 性 能 發(fā) 生 下 降 及 形 成 CO 2、 H2O、 CH4及 其 它一 些 小 分 子 量 化 合 物 的 聚 合 物 。 舉 例 PBS聚 丁 二 酸 丁 二 醇 酯 ， 英 文 簡 稱 PBS。 它 是 一 種 典 型 的 脂 肪 族 聚酯 。 脂 肪 族 聚 酯 由 于 其 生 物 降 解 性 和 經(jīng) 濟 性 ， 已 成 為 國 內(nèi) 外 研究 的 熱 點 。 PBS同 時 也 是 一 種 新 型 的 可 生 物 降 解 高 分 子 材 料 ， 其 降 解 與 應 用

3、 的 研 究 始 于20世 紀 90年 代 。 對 于 環(huán) 境 友 好 材 料 和 生 物 材 料 而 言 ， PBS基 降 解 材 料 的 制 備與 應 用 是 新 興 的 研 究 領 域 。 同 時 ， 合 成 PBS的 主 要 原 料 1,4-丁 二 酸 和 1,4-丁 二 醇 不 僅 可 以 由 石 油 化 工 路 線 得 到 ， 可 以 由 煤 化 工 路 線 和 生 物 發(fā) 酵 的 途 徑 得 到 ， 因 此 更 具 環(huán) 保 意 義 和 經(jīng) 濟 價 值 。 PBS介 紹應用廣泛 PBS降 解 機 理材 料 降 解 是 指 在 保 存 期 內(nèi) 材 料 性 能 不 變 ,而 使 用 后

4、 在 一 定 環(huán)境 條 件 下 能 夠 被 降 解 。 其 過 程 是 材 料 被 細 菌 ， 霉 菌 等 作 用消 化 吸 收 的 過 程 ， 大 致 分 為 兩 步 ： 1） 微 生 物 向 體 外 分 泌 水 解 酶 ,和 材 料 表 面 結(jié) 合 ,通 過 水 解 切斷 高 分 子 鏈 ,生 成 分 子 量 小 于 500 g/mol 以 下 的 小 分 子 量 的化 合 物2） 降 解 的 生 成 物 被 微 生 物 攝 入 體 內(nèi) ,經(jīng) 過 種 種 的 代 謝 路 線 ,合 成 為 微 生 物 體 內(nèi) 所 需 物 質(zhì) 或 轉(zhuǎn) 化 為 微 生 物 活 動 的 能 量 ,最終 都 轉(zhuǎn) 化

5、 為 水 和 二 氧 化 碳 。 PBS降 解 機 理 PBS的 降 解 要 經(jīng) 過 2個 階 段 。 在 一 次 分 解 中 通 過 微 生 物 在 菌 體 外 分泌 的 酶 與 其 表 面 接 觸 ， 由 表 及 里 順 序 進 行 分 解 。 PBS在 一 次 降 解 中 使用 粉 制 的 酶 (脂 肪 酶 )， 通 過 水 解 反 應 ， 可 很 快 分 解 ， 生 成 二 羧 酸 、 二元 醇 類 物 質(zhì) 以 及 5聚 體 以 下 的 低 分 子 量 聚 酯 的 混 合 物 。 接 著 是 完 全 分解 過 程 ， 在 一 次 分 解 中 生 成 的 低 分 子 量 中 間 生 成

6、物 被 菌 體 所 侵 蝕 ， 通過 各 式 各 樣 的 代 謝 ， 在 透 氣 性 好 的 條 件 下 分 解 成 二 氧 化 碳 和 水 ， 在 透氣 性 差 的 條 件 下 則 變 成 了 二 氧 化 碳 和 甲 烷 。 脂 肪 族 聚 酯 的 微 生 物 降 解反 應 示 意 如 下 ： 脂 肪 酶 攻 擊 細 菌 、 水 解 材 料 碎 片 微 生 物 利 用 PBS降 解 機 理能 夠 分 解 脂 肪 族 聚 酯 的 微 生 物 種 類 很 多 ， 包 括 許 多 細 菌 和霉 菌 等 ， 它 們 廣 泛 分 布 在 自 然 界 中 ， 其 中 以 土 壤 中 最 多 。PBS基

7、塑 料 理 論 上 容 易 被 微 生 物 降 解 ， 但 隨 其 共 聚 組 分 、相 對 分 子 質(zhì) 量 的 不 同 ， 降 解 性 有 很 大 差 別 。 酯 鍵 之 間 結(jié) 合的 亞 甲 基 數(shù) 為 4 8時 ， 脂 肪 族 聚 酯 較 容 易 降 解 。 聚 合 物 鏈中 存 在 苯 環(huán) 結(jié) 構(gòu) 和 脂 肪 族 醚 鍵 等 ， 其 生 物 降 解 性 下 降 ；PBS的 相 對 分 子 質(zhì) 量 大 以 及 親 水 性 差 ， 也 不 利 于 微 生 物 的侵 蝕 、 繁 殖 與 生 物 降 解 。 合 成 方 法 脂 肪 族 聚 酯 的 合 成 方 法 理 論 上 有 生 物 發(fā) 酵

8、 法 和 化 學 合 成 法 兩 種 方 法 ， 但 是生 物 發(fā) 酵 法 的 成 本 很 高 ， 故 PBS的 合 成 絕 大 部 分 使 用 的 是 化 學 合 成 法 。 化 學 合成 法 又 包 括 直 接 酯 化 法 和 酯 交 換 法 。 大 多 數(shù) 采 用 直 接 聚 合 的 方 法 。直 接 酯 化 法以 丁 二 酸 和 丁 二 醇 直 接 縮 聚 得 到 PBS， 其 合 成 方 法 由 兩 步 完 成 :先 在 較 低 的 反 應溫 度 下 將 二 元 酸 與 過 量 的 二 元 醇 進 行 酯 化 ， 形 成 端 羥 基 預 聚 物 ; 然 后 在 高 溫 、高 真 空

9、和 催 化 劑 的 存 在 下 脫 除 二 元 醇 ， 得 到 PBS聚 酯 合 成 方 法 酯 交 換 反 應 法 二 元 酸 二 甲 酯 與 等 量 的 二 元 醇 ， 在 催 化 劑 存 在 下 ， 高溫 、 高 真 空 脫 甲 醇 進 行 酯 交 換 反 應 得 到 PBS聚 酯擴 鏈 法在 前 兩 種 合 成 反 應 過 程 中 ， 需 要 不 斷 地 排 除 小 分 子 產(chǎn) 物 ， 從 而獲 得 所 需 相 對 分 子 質(zhì) 量 的 聚 酯 。 但 是 在 縮 聚 反 應 后 期 ， 溫 度 往 往超 過 200 時 ， 會 發(fā) 生 脫 羧 、 熱 降 解 、 熱 氧 化 等 副 反

10、 應 ， 影 響 相 對分 子 質(zhì) 量 。 此 時 為 了 提 高 相 對 分 子 質(zhì) 量 ， 可 采 取 擴 鏈 反 應 ， 利 用擴 鏈 劑 提 高 其 相 對 分 子 質(zhì) 量 。 展 望 現(xiàn)在研究熱點主要集中在以下幾個方面：創(chuàng)新合成途徑，改進生產(chǎn)工藝以得到高分子量的PBS聚合物；對PBS進行改性或與其他材料復合制成綜合性能優(yōu)異的復合材料；尋找價格低、來源廣的填料，降低產(chǎn)品的成本。目前，在PBS的某些應用研究領域還存在局限，如不同研究者提出的觀點存在著較大的矛盾，并且基礎理論還需要進一步的完善。隨著研究的深入，PBS的綜合性能將不斷得到提高，而其制品的價格將大大降低， 并逐漸取代傳統(tǒng)塑料，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。