白色污染与可降解塑料

第5卷 第4期 2006年10月

漯河职业技术学院学报(综合版)

Journal of Luohe Vocational and Technical College (Comprehensive)

Vol. 5No 4Oct 2006

白色污染与可降解塑料

何奕波

(信阳职业技术学院, 河南信阳464000)

摘要: 白色污染 是一个全球性问题, 发展可降解塑料是解决这一问题的有效方法之一。本文介绍了目前全球可降解塑料的发展概况, 以及完全生物可降解塑料的发展前景。

关键词:白色污染; 可降解塑料; 完全生物可降解塑料

中图分类号:X384 文献标识码:A 文章编号:1671-7864(2006) 04-0028-03

塑料作为一种合成材料, 具有质量轻、强度高、易加工成型及性价比良好的优点, 已经成为生产和生活中不可缺少的部分。目前全世界塑料总产量已超过1 5亿吨, 而用后废弃的数量大约是生产总量的50%~60%[1]38-39。这些废弃的塑料对周围环境造成了极大破坏, 形成了所谓 白色污染 。塑料制品对环境造成的污染具有如下特点:(1) 污染范围广。江河湖泊, 田野山川无处不在。(2) 污染物增长量快。由于塑料价廉、易老化、寿命较短, 随着塑料量的增加, 导致废弃物的迅速增加, 美国专家估计每10年将增加一倍。(3) 处理困难。普通塑料具有耐酸碱、抗氧化、难腐蚀、难降解的特性, 埋地处理100年不烂, 燃烧时产生大量有毒气体, 如氯化氢、硫氧化物、一氧化碳等。(4) 回收利用困难。塑料制品种类多, 难以分拣。(5) 生态环境危害大。废弃塑料会降低耕地质量, 影响农作物生长。

如何解决由塑料制品所造成的白色污染是全人类面临的共同问题。目前, 在诸多的解决方案中, 开发可降解塑料成为全球瞩目的研究热点, 并已取得了相当的研究成果。

化碳和水。(2) 物性上(材料水平) :其废弃物在较短的时间内力学性能下降, 应用功能丧失。(3) 形态上:其废弃物在较短的时间内破裂, 粉化成为环境无

[2]125

害物。

关于降解塑料的分类, 目前尚无国际标准。一般按引起降解的环境条件划分成以下几类:光降解塑料、生物降解塑料、化学降解塑料(包括氧化降解塑料和水解降解塑料) 以及上述三类组合物的降解塑料[3]210。目前国际上技术比较成熟、应用较多的是光降解塑料、生物降解塑料以及光-生物双降解塑料。

2 可降解塑料的性能及应用

2. 1 光降解塑料和光-生物降解塑料

光降解塑料就是靠吸收太阳光引起光化学反应而分解的塑料。光降解塑料的制备方法大致有两种:一是在高分子材料中添加光敏感剂, 敏感剂吸收光能后所产生的自由基促使高分子材料发生氧化作用, 达到裂化的目的; 二是利用共聚方式, 将适当的光敏感剂倒入高分子结构内赋予材料光降解的特性。常用的光降解剂有:金属盐类、二茂铁衍生物

[4]

类、羧酸盐类、烷基硫代氨基甲酸铁类等。用此类塑料制成的地膜有三个特点:(1) 使用后, 在阳光照射下可自行光分解, 分解后的小残体可被土壤中的微生物继续分解。(2) 使用寿命可以控制。(3) 节省回收地膜的费用, 并且解决了残膜对土壤和环境的污染。

光降解塑料的降解速度取决于日照的时间和强

1 可降解塑料的定义及分类

可降解塑料是指在使用前和使用期间与同类塑料具有相当或相近的性能, 而完成其使用功能后又能在自然环境条件下迅速降解, 进入自然界的碳循环, 不再对所使用环境造成污染的高分子材料。其含义有三个方面:(1) 化学上(分子水平) :其废弃物的化学结构发生了显著变化, 最终完全降解为二氧

收稿日期:2006-02-12

作者简介:何奕波(1968-) , 男, 河南信阳人, 信阳职业技术学院讲师, 硕士研究生。

第4期何奕波:白色污染与可降解塑料 29

度, 且降解后碎片易形成二次污染。光降解技术与生物降解技术结合, 一方面可以克服淀粉基塑料在非生物环境中难降解的问题, 另一方面可利用光敏体系的复合配比、用量来实现降解时间人为控制的

[5]

目的。因此, 目前工业化较多的是光降解技术与生物降解技术结合的双降解淀粉塑料。我国现有光-生物降解塑料生产线35条。制约该技术应用的主要原因是生产成本大于普通塑料, 难以推广。2. 2 生物降解塑料

光降解与光-生物降解塑料所用的主要原料是合成高分子单体, 不具备环境相溶性, 仍会对环境造成二次污染。所以在国际上研究完全生物降解塑料越来越受到重视。完全生物降解塑料可分为三类:微生物合成高分子降解塑料、化学合成高分子降解塑料及天然高分子改性降解塑料[6]。2. 2. 1 微生物合成高分子降解塑料

微生物合成高分子降解塑料是采用微生物或基因合成, 其中基因合成是最有生命力和广阔前景的合成方法。在众多的微生物合成生物可降解材料中, 采用微生物发酵法生产的聚 -羟基酸酯(简称PHAs) 成为人们研究的热点。PHAs 作为一种有光学活性的聚酯除具有高分子化合物的基本特性外, 还具有很好的生物可相容性。已有研究表明, 采用PHAs 制作的香波瓶, 在自然环境中九个月后可基本上被完全降解, 而同样用合成塑料制成的物品, 完全降解时间大约需要100年。目前己鉴定的P HAs 约有40多种, 其中聚- -羟基酸酯(P HB) 和3-羟基丁酸酯与3-羟基戊酸酯的共聚物(PHBV) 是PHAs 的典型代表。它存在于多种微生物中, 具有广泛的应用前景。

由PHB 制成的一次性塑料制品, 其废弃物在生态环境中很容易被土、活性污泥、细菌等分解为二氧化碳和水, 不污染环境。另外, 由于PHB 具有良好的生物相容性, 生物机体对P HB 不像对其他材料那样具有强烈的排斥作用, 在机体内容易被水解成单体 -羟基丁酸, 最后通过酮代谢成二氧化碳和水, 在医学上可用作外科手术缝合线及药物控制释放体系的载体[7]。

1982年英国ICI 公司就实现了PHB 的工业化生产, 但迟迟不能大规模推广的主要原因是成本问题。PHB 是细菌发酵而产生的一种胞内产物, 它以颗粒状态存在于细胞中。为了应用PHB, 首先必须发酵生产, 然后从细胞内分离提取P HB, 由于菌种、发酵生产以及分离提取等方面存在困难, 导致PHB 的成本较高[8]。20世纪80年代, Slater 等将合成PHB 细菌的有关酶, 利用基因工程法引入油菜、向日葵等油

[9]

料植物, 获得 转基因植物 。从这些转基因植物低、产量大、价格合理, 而且其高技术的内涵更让人体会到它诱人的前景。目前, 对甜菜、块茎、淀粉类作物的基因转换正在进行探索。

2. 2. 2 化学合成高分子生物降解塑料

化学合成高分子生物降解塑料是以化学高分子的相关技术为基础采用分子设计的方法生产的一种降解塑料。用这种方法可以合成聚乳酸(PLA) 、聚己内酯(PCL)、聚乙烯醇树脂(PVA) 等。

PLA 是近十年发展起来的由典型的 -羟基酸聚合而成的一种无毒、无刺激性的完全生物降解塑料。它以淀粉等生物资源为原料, 发酵制得L-乳酸, 再用化学合成方法合成高分子材料。PLA 具有良好的生物降解性, 一周左右即可完成降解。

在1930年, 聚乳酸就作为脂肪族聚合物问[10]

世, 最先在医学上作为手术缝合线获得应用。PLA 具有类似塑料的物理性能, 完全的生物降解性和人体的适应性。另外, PLA 的降解能促进植物生长, 因此可大量用作农用地膜、土木用膜、食品包装袋等。此外。PLA 也可用于生理卫生用品, 药品缓释控制材料等。因此, PLA 将成为今后最有发展前途的可降解塑料品种之一。PLA 的工业化早已实现。芬兰液体公司用玉米为原料, 用发酵法制得乳酸。在蒸发浓缩时发生自酯化生产线型聚酯, 共聚物为二聚物或多聚物。高浓度乳酸溶液生成的环状二聚物为丙交酯, 用丙交酯聚合生产PLA [11]。日本三井东压公司最近开发出新工艺, 在高沸点溶剂存在下进行乳酸和聚乳酸的缩合脱水反应[12]。此法可以从PLA 反应液中方便地除去水分, 从而使分子量高达30万, 产品质量大大提高。

PVA 的合成是将乙烯与开环后能生成可水解酯基的单体共聚的方法, 在聚乙烯主链上引入可水解基团, 促进聚乙烯的降解。美国气体产品化工公司于1991年实现了PVA 的工业化生产, 商品名为 VI NEX , 它是聚乙烯醇和聚氧化烯烃、丙烯酸酯的接枝共聚物[13]。VI NEX 可在一定范围内挤塑成管、异型材、瓶或进行注塑、吹塑成膜。0. 05mm 厚的VI NEX 薄膜在土壤中23天内可以生物降解, 可应用于化肥、染料的包装袋等。

2. 2. 3 天然高分子改性降解塑料

天然高分子大多可以生物降解, 但热学、力学性能差, 不能满足工程材料的性能要求, 因此, 希望通过对天然高分子改性得到能有实用价值的天然高分子降解塑料。天然高分子聚合物降解塑料包括淀粉、纤维素、木质素、多糖以及以蛋白质为基材的复合材料。目前研究最深的是淀粉基系统, 以变性淀粉为主要成分加入少量亲水性可生物降解聚合物

[14]

(如PVA) 为技术路线。由于淀粉基塑料价格低,

30漯河职业技术学院学报2006年

外己有多种商品出售。影响淀粉基生物降解塑料推广应用的主要因素有:消耗大量粮食; 力学性能欠佳; 成本高于普通塑料10%~20%。据最新报道, 我国复旦大学经过10年努力开发出以稻草、木屑为原料, 经液化后与异氰酸酯反应合成具有微生物分解性的聚氨酯。该材料不但具有普通聚氨酯的各种优良性能, 而且可在指定时间内进行微生物完全分解[15]。与淀粉基可降解塑料相比, 该材料的主要优点是使用废弃的稻草、木屑等植物纤维作原料, 既解决了农村大量稻草的出路, 又节省了粮食, 是一项国际领先的全新环保材料, 具有广阔的发展前景。目前, 该材料已在复旦大学环境科技公司批量生产。

3 可降解塑料的开发趋势及发展前景

可降解塑料尽管存在种种问题, 但它的发展方兴未艾, 以下几个方面代表了可降解塑料的发展方向:(1) 积极开发高效廉价光敏剂、氧化剂、生物诱发剂、降解促进剂和稳定剂等, 进一步提高可降解塑料的准时可控性、用后快速降解性和完全降解性。(2) 为避免二次污染, 同时保证有丰富的原料, 以天然高参考文献:

[1][2][3][4][5][6][7][8]

分子微生物合成高分子的完全生物降解塑料将会越来越受到重视。(3) 水解性塑料和可食性材料由于具有特殊的功能和用途而备受瞩目, 也成为环境适应性材料的又一热点。(4) 充分利用基因工程技术培育可生产聚酯的生物性植物以降低生物降解塑料的成本。

可降解塑料的发展, 不但在一定程度上缓解了环境污染, 而且对日益枯竭的石油资源也是一个补充。许多国家已开始考虑用生物可降解塑料代替部分石油化工合成塑料, 并陆续颁布了一些法规, 如意大利的立法规定自1991年起所有包装用塑料都必须可降解, 我国也已开始考虑禁用不可降解的塑料制品。据日本生物降解塑料实用化检讨委员会预测, 今后10年内全世界生物可降解塑料的市场规模为130万吨。我国每年产生的塑料垃圾达100万吨以上, 若其中的20%以降解塑料取代的话, 需求量也在20万吨以上, 市场潜力是很大的。可降解塑料的发展适应了人类可持续发展的要求, 因此, 可降解塑料的发展前景是美好的。

翟羽伸. 石油化工[M].北京:石油工业出版社, 1996.

白福臣. 现代塑料加工应用[M].北京:化学工业出版社, 1998. 丁 浩. 塑料应用技术[M].北京:化学工业出版社, 2001.

宋昭桢. 可降解塑料生产技术[J]. 精细石油化工进展, 2005, (3) :13-20. 周 鹏. 可降解塑料的研究进展[J].山西化工, 2005, (2) :23-27.

李 星. 我国可降解塑料的现状和发展趋势[J].化工生产与技术, 2004, (1) :26-30. 张立平. 国外可降解塑料的开发与应用[J].国外石油, 2002, (3) :37-41.

OGAWA J, S HIMIZU S. Micro enzymes:new industrial applicati ons vonderosten[J].Hedegard S Hastrup Set Biotechnol, 2003, (28) :55-68.

[9]伍昭辉. 生物可降解塑料的发酵生产研究进展[J].微生物学通报, 2000, (3) :220-225.

[10]JAEGER KE, REETZ MT.M icrobil lipases form versatile for biotechnology[J].Enzon-labs. US Patent, 1993, (47) :133-144. [11]吴贵芳. 转基因植物生产生物可降解塑料的研究进展[J].科技进展, 2002, (2) :84-88. [12]陈国强. 生物可降解塑料的生产技术研究[J].精细与专用化学品, 2001, (18) :22-26. [13]唐赛珍. 我国可降解塑料的研究与发展[J].现代化工, 2002, (1) :2-6.

[14]杨冬芝. 淀粉基生物可降解塑料的制备和表征[J].塑料, 2005, 34(3) :51-55. [15]钱伯章. 可降解塑料的应用现状和发展趋势[J].上海化工, 2004, (2) :43-46.

[责任编校 吴保奎]

The White Pollution and Degradable Plastic

HE Y-i bo

(Xinyang Vocational and Technical College, Xinyang, 464000, China)

Abstract: White pollution is a world -spread question. Developing degradable plastic is one of the most important mea -sures to c ontrol White pollution . The main point of this paper is to describe the situation of world degradable plastic and revie wing the prospect of biode gradable plastics.

Key words:white pollution; degradable plastic; biodegradable plastics