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可降解塑料的种类及应用现状
  浏览次数:12535  发布时间:2021年07月13日 11:34:00
[导读] 塑料产品的使用,可降解塑料是一种能够在特定条件下通过降解反应,发生分解的塑料。该类塑料能有效 缓解目前塑料废弃物导致的环境污染问题,且具有容易处理、原材料来源广泛等优势。在国家政策引导及环境治理 需求的基础上,可降解塑料受到了广大科研工作者的高度重视。
 崔文娟 
(铜川职业技术学院,陕西 铜川727031) 

摘 要:塑料产品的使用,可降解塑料是一种能够在特定条件下通过降解反应,发生分解的塑料。该类塑料能有效 缓解目前塑料废弃物导致的环境污染问题,且具有容易处理、原材料来源广泛等优势。在国家政策引导及环境治理 需求的基础上,可降解塑料受到了广大科研工作者的高度重视。文章综述了可降解塑料的种类及其在农业领域、医 药领域、食品包装领域的应用,并对可降解塑料的前景进行展望。 
关键词:可降解;塑料;种类;应用

0 引 言 
塑料产品的使用,给人类的日常生活与生产带来极大的便利,2019年全球塑料产量高达3.5亿t,我国塑料产量接近1亿t[1],但伴随大量塑料制品使用后废弃而来的是环境污染问题,尤其是不易回收利用与降解的塑料制品,更是成为全球塑料污染治理的难题。清华大学教授、合成与系统生物学中心主任陈国强在2018年举行的国际生物聚酯大会 上列出一份最新的统计数据:目前全球每年仅一次 性塑料制品就达1.2亿,其中只有10%被回收利用,另外约12%被焚烧,超过70%被丢弃 到土壤、空气和海洋中。我国土壤中仅每年残留的农膜就高达35万t,残膜率42%。大量农膜残留在农田0~30厘米的耕作层中,给农业生产和食品安全带来了巨大的威胁。在国家政策引导及环境治理需求的基础上,可降解塑料受到了广大科研工作者的高度重视。近年来,我国各部委也相继出台了多个关于塑料制品,尤其是一次性塑料制品使用的禁止与限制使用政策,预计2025年底,在全国范围内逐步停止使用不可降解塑料袋[2]。 

塑料垃圾污染问题,最重要的原因在于塑料的化学性质。塑料是单体聚合而成的高分子化合物,其结构中的碳分子长链十分牢固,不易断裂,这是造成普通塑料难以分解的主要原因。可降解塑料的原理便是降低碳分子长链的断裂难度,使其易由聚合体分解为小片段,再进一步降解为二氧化碳和水。相比于普通塑料,可降解塑料的降解过程更快速,条件要求更低[3]。因此,可降解塑料的使用,是目前公认的能够有效解决塑料污染问题的途径之一,可降解塑料是指在塑料制品的储存、使用期限内满足使用性能要求,使用后,可在自然条件下自行降解成为对环境无害的小分子化合物的塑料。在塑料污染的高压和政策的强力驱动下,可降解塑料将成为未来塑料制品发展的新趋势。就目前为止,可降解塑料的种类及应用进行综述,为相关领域工作人员提供参考。   

1 可降解塑料的种类 
塑料主要是以石油为原料[4],通过聚合反应获得的一类高聚物,其特点是高聚物主链含有碳-碳σ单键,碳-碳σ单键较为牢固,不易断裂,这也是塑料制品不易降解的主要原因。对普通塑料经过特殊处理后,使其分子链易断裂,最终分解为对环境无毒无害的小分子化合物,而目前,可降解塑料主要有生物降解塑料、光降解塑料、化学降解塑料三大类。 

1 .1 生物降解塑料 
生物降解塑料是指能在真菌、细菌、藻类等微生物作用下,发生大分子链的断裂,从而发生降解,最终分解为二氧化碳、水等代谢产物的一类塑料。根据微生物与塑料之间的作用机理及塑料的性能,生物降解塑料分为生物破坏性降解塑料和全生物降解塑料。 

1.1.1 生物破坏性降解塑料 
生物破坏性降解塑料是微生物与塑料之间发生物理分解作用,即微生物附着于塑料表面进行增殖,在高分子材料上发生电离、水解等一系列物理分解过程,使高分子材料分解成低聚物片段的一类塑料,因此生物破坏性降解塑料也叫不完全性生物降解塑料。该类塑料主要通过在传统塑料中加入淀粉、纤维素、小麦粉等天然物质,制成淀粉型、蛋白质型、纤维素型塑料。这类塑料降解时,只是将大分子链降解成了低聚物片段,并未将碳链以二氧化碳、水的形式释放于环境中,即碎片中的石油基塑料[5]仍然残留于环境中,仍然会引发土壤板结、水土流失等环境问题。 

1.1.2 全生物降解塑料 
全生物降解塑料是微生物与塑料之间发生生物化学作用,即高分子材料在微生物代谢产生的酶等化合物作用下,逐渐发生氧化分解作用,最终被降解为二氧化碳、水等小分子化合物的一类塑料。该类塑料主要由纤维素、淀粉等天然高分子材料制备而来。主要包含三个类别,第一类为微生物代谢酶作用下合成的,具备生物降解性能的微生物合成塑料,如聚酯。第二类为天然高分子塑料,具有热塑、可降解性能,如全淀粉塑料。 第三类为以淀粉为原料,经结构改造后合成的,具有良好机械性能、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,高分子链发生断裂,从而发生降解的一类塑料。根据吸光基团引入方式不同,分为共聚型光降解塑料和添加型[6]光降 解塑料两种。不论是共聚型光降解塑料还是添加型光降解塑料,因受其降解反应条件的限制,例如该类 塑料被埋入土中,或接受光照不足的条件下,则无法发生降解,所以该类塑料的使用有一定的局限性,无法大范围推广使用。 

1 .2 .1 共聚型光降解塑料 
共聚型光降解塑料是由CO、CH2=CH2等单体经过共聚反应,形成主链具有羰基等不饱和弱键的一类高分子材料。该类高分子材料在光照条件下,不饱和弱键吸收紫外光后,发生共价键的断裂,从而发生降解反应。因其结构中不饱和弱键的存在,导致其在使用与储存过程中, 一旦接受光照,即可能引发其性能的改变,所以该类材料很难应用于实际中。 

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备普通塑料的过程中,加入能够吸收紫外光的有机、无机类光敏物质[7],增强高分子材料光降解能力的一类塑料。有机光敏物质主要包括羰基类化合物、芳香族化合物,如对苯醌、二苯乙酮等,无机光敏剂主要是过渡金属化合物。光敏剂吸收紫外光后主要发生共价键的均裂,产生自由基,自由基进一步促进高分子链的断裂,发生降解。该类塑料可通过调节光敏剂的加入量控制其分解周期的长短。而该类光降解塑料的缺陷是里面添加的光敏剂是否会产生环境污染,尚不明确,因此其应用仍然受到限制。 

1 .3 新型可降解塑料 
英国交响环境公司曾研制出一种寿命可预先控制的塑料,该类塑料会在预先设定的寿命期限内发生降解,只生成H2O和CO2。其特征是添加剂无毒无害,可从自然资源中获取,只占3%的比例,对塑料的使用性能几乎无影响,甚至可提高塑料的强度。德国科研人员借助化合物的挥发性,将聚苯乙烯与聚甲基丙烯酸甲酯混合于一种溶剂中,涂抹于相机镜头,之后除去聚苯乙烯,制成含有0.1μm 微孔的膜,极大的提高了相机的透光率。 

2 可降解塑料的应用
2.1 农业领域的应用 
农业领域应用最为广泛的塑料是能够保湿、保温的地膜。据统计,我国2015年地膜覆盖面积高达0.18亿hm2[8],预计2024年可达0.22亿 hm2,使用量将高于200万t,且每年新增30万t左右不可降解的残留地膜。传统地膜使用后,若没有及时清理,会导致土地板结,甚至影响农作物生长。而可降解塑料,尤其是生物降解塑料的出现,能够解决该问题。地膜使用时,及使用后,绝大部分需要用土壤覆盖,而这种环境恰巧为生物可降解塑料提供了良好的降解环境,使其在使用废弃后被微生物降解,生成小分子化合物,极大的避免了地膜使用后的污染问题。例如巴斯夫公司研发制备的可降解聚酯高分子材料,其寿命为3个月,在使用的3个月内会被降解,而作物损失量仅为5%左右[9]。 

2 .2 医药领域的应用
随着社会的进步,在医药领域,塑料制品的使用量逐年增大,随之而来的是较大的废弃量带来的环境污染压力。可降解塑料的出现,极大的缓解了因不可降解废弃塑料引发的环境污染问题。可降解塑料在满足其降解条件的情况下,可在一定时间内发生降解,由大分子化合物降解为小分子化合物,进入环境循环体系或生物循环体系,例如,具有加工性能好,热稳定性高,溶解性好等优良特性的聚乳酸,使用废弃后可通过自然降解的方式处理,也可焚烧处理,焚烧处理时无有毒有害气体释放,因此其在医药领域如手术缝合、骨科固定等方面应用广泛。另外,目前全球产业化生产的聚羟基烷酸在心脏膜瓣、血管等组织工程中得到了广泛应用。 

2 .3 食品包装领域的应用 
传统食品包装材料具有力学性能好、耐热能力强等优势,但绝大部分为不可降解塑料,而随着包装材料的废弃,引发了严重的环境污染问题,例如餐饮行业的外卖盒,因其不可降解的性能,一度造成严重的“白色污染”环境问题。目前已经有多种可降解塑料应用于食品包装行业。例如将聚3-羟基丁酸酯 -co-4-羟基丁酸酯与木质素结合制备而成的用于包装的复合型材料,既能有效阻隔二氧化碳、氧气渗透,又有较强的韧性,解决包装问题的同时也解决了塑料降解问题 。 

3 结 语 
目前的社会需求与政策导向,决定了可降解塑 料的巨大发展空间,正受到广泛的关注。但可降解塑料的优势与弊端并存,主要优势是可降解、材料来 源广泛,易处理、危害小,不再单纯的依赖于石油资源,是解决“白色污染”的有效途径。而弊端则是其 使用性能与生产成本问题,通常可降解塑料耐热性 能、力学性能较普通塑料差一些,且其生产成本较高。研发性能优良、生产成本低的可降解塑料将是 未来塑料行业的后起之秀。 

参考文献: 
[1] 刘国伟,庹解语,王之远.采访中国石油和化学工业联 合会副秘书长庞广廉:理性看待塑料和塑料污染[J]. 环 境 与 生 活 ,2020(149):34-43. 
[2] 陶 怡,柯 彦,李俊彪,等.我国生物可降解塑料市场现 状 [J].化 工 管 理 ,2020(3):118-119. 
[3] 张 芮 菡 .可 降 解 塑 料 的 种 类 与 应 用 现 状 [J].当 代 化 工 研 究 ,2019(1):20-21. 
[4] 易 力,雷丽红,杜美慧,等.塑料垃圾降解研究进展 [J].科 技 视 界 ,2020(6):271-273. 
[5] 张丽媛,韦存茜,杨建平.可降解塑料在食品相关产品 方面的应用及质量安全要求[J].食品安全质量检测学 报 ,2020,11(7):2303-2308. 
[6] 廖 栩 烽 .浅 谈 可 降 解 塑 料 的 研 究 进 展 [J].化 工 管 理 , 2018(26):215-216. 
[7] 欧 亚 梅 .绿 色 塑 料 的 制 备 及 其 在 包 装 领 域 的 应 用 [J]. 食 品 工 业 ,2020,41(11):250-252. 
[8] 李 燕,曹 朵,贾凤安,等.生物基可降解塑料及其在农 业 领 域 的 研 究 进 展 [J ] . 应 用 化 工 ,2 0 2 0 ,4 9 (9 ) :2 3 9 7 - 2400. 
[9] TOUCHALEAUME F,MARTIN-CLOSAS L,AN- GELLIER- Cousy H,et al.Performance and envi- ronmental impact of biodegradable polymers as agricul- tural mulching films[J].Chemosphere,2016,144: 433-439.