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可降解塑料的研究利用现状
摘要：本文简介了白色污染的现状、危害及目前处理废旧塑料的方法，重点介绍了可降解塑料的研究现状，并分析了可降解塑料存在问题、发展方向及前景。关键词：可降解塑料 白色污染 现状 前景
1.白色污染的现状、危害及目前处理废旧塑料的方法
塑料自问世以来，以其优异的性能和低廉的成本，在各个领域得到广泛的应用。随着经济的发展，人民生活水平的提高，塑料制品的需求量也日益增加，而塑料带来的“白色污染”也越来越严重。开发降解塑料是治理城乡废弃物对环境污染的一个重要途径。当前各国都急切需要降解塑料及分解材料，因此降解塑料及分解材料将成为一种最具有巨大市场潜力和生态效益的环保新型材料。
1.1“白色污染”的现状
塑料作为一种新型材料，以质轻、防水、耐用、生产技术成熟、成本低的优点，需求量呈逐年增长趋势。仅就中国而言，塑料产量从1975年的1.4万t激增到2001年的1401万t，预计2005年将达到2500万t。随着塑料产量的不断增加，废弃塑料制品也同比例增多。近年来，在国民经济高速发展的同时，人们的生活方式也由“节俭型”向“消费型”转变，一次性塑料制品的使用量更是大幅增加，以杭州为例，600万人口每月仅一次性塑料包装袋的使用量就达800t。由于最初人们对废旧塑料引起的环境危害缺乏认识，将大量的废旧塑料制品随意抛弃，从而引发了严重的“白色污染”问题。1.2“白色污染”的危害 1.2.1破坏臭氧层
在生产一次性发泡塑料餐具的过程中，所使用的发泡齐会严重破坏大气臭氧层。.1.2.2破坏土壤结构
残留在土壤中的不可降解塑料制品会使土壤板结成块，阻碍农作物吸收营养和水分，导致农产品产量下降。1.2.3危害人体健康 食品包装用的塑料制品，多为聚苯乙烯的二聚体和三聚体，易被食物吸收转而拢乱人和动物的荷尔蒙分泌，损害生育能力。当受热达65℃时，塑料制品会释放出大量毒素，严重损害人体的肝脏、肾脏及中枢神经系统。【1】 1.3目前处理废旧塑料的方法
目前处理废旧塑料的方法主要有：填埋处理、焚烧处理、再生利用和再资源化、用可降解塑料代替现有塑料。但在治理塑料污染过程中存在这多种困难，比如：回收以及分类较为困难，废弃的塑料与其他生活垃圾混在一起，造成废弃塑料的污染以及收集工作困难，增大了回收成本；缺乏专用回收设施，限制了回收塑料再次加工的质量和种类；回收焚化后产生的有毒气体造成二次污染等一系列问题。【2】 2.可降解塑料的研究现状
降解塑料是一个新产业。目前国外主要生产降解塑料的有美、日、德、英等国，品种主要有光降解、光/生物降解、水解降解和完全生物降解塑料等。其中光降解技术较为成熟，而完全生物降解塑料的研究开发最为活跃；但其回归自然仍需一定周期和特定条件，特别是由于其技术较复杂、价格高昂，尽管美、日、西欧等发达国家已建成千吨级甚至万吨级的工业化装置，仍难以进入量大、面广的一次包装材料和地膜等市场，目前主要用于医用卫生器材和高附加值包装材料。
我国降塑的研究开始于20世纪70年代后期，80年代也仅有少数单位进行实验室研究，90年代才掀起研究开发的热潮。初期主要集中在农地膜的研究和开发，90年代中期研究开发的热点转向塑料餐具、包装袋、垃圾袋，这一时期已开发出部分技术经济上较好的产品，并推向市场，但产品较多地投向市场是90年代后期，到目前为止，降解农用塑料地膜已处于示范应用阶段，包装材料及制品已处在市场推广阶段。
降解塑料的种类有： 光降解塑料、生物降解塑料、光/生物双重降解塑料。其中具有完全降解特性的完全生物降解塑料和具有双重降解特性的光/生物降解塑料是目前研究的主要方向。【3】
2.1 光降解塑料 2.1.1 共聚型光降解塑料 由美国杜邦公司开发的聚乙烯(PE)和乙烯基酮共聚而成的聚合物,可增强PE塑料的光降解性,称为Guillet共聚物。含5%(质量分数)羰基的Guil-let共聚物,商品名为Ecolyte[1]。后来,发展出聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚酰胺(PA)等含羰基的共聚物[2],都具有光降解性。在欧美等国,PE光降解膜已用作地膜、食品袋和垃圾袋。2.1.2 添加型光降解塑料
其制备方法是在高分子材料中添加光敏剂和其它助剂。由光敏剂吸收光后产生自由基,促使高分子材料发生氧化反应以达到分解。典型的光敏剂有芳香酮、芳香胺、乙酰丙酮铁、2-羟基-4-甲基苯乙酮肟铁、硬脂铁、二烷基二硫代氨基甲酸铁和二茂铁衍生物等。由英国阿斯顿大学的Geral Scott和以色列塑料技术大学的Dan Gillead合作开发的一种可实现光敏控制的光降解聚合物,其商品名为Plas-tigone[3-4]。据文献报道[5],中科院上海有机化学研究所研制了长链烷基二茂铁衍生物及胺烷基二茂铁衍生物两个系列光敏剂;中科院长春应用化学研究所已研制成功了一种以铁合物Fe(F)x和Fe(I)x为光敏剂的光降解PE薄膜;福州市塑料研究所研制成功了二烷基二硫代氨基甲酸铁(FeDRC)光敏剂及其光降解PE薄膜。添加型光降解塑料的研究开发较早,技术比较成熟,其产品已广泛应用于农业及包装等领域。2.2 生物降解塑料
近几年来生物降解塑料发展较快,其消费量占塑料消费总量的1%,仅2000年生物降解塑料的消费量约在400万~500万t左右。生物降解塑料,按生物降解过程可分为完全生物降解塑料和生物崩环塑料两类;其制备方法可分为:生物发酵法、化学合成法和天然高分子共混。2.2.1 完全生物降解塑料
完全生物降解塑料在细菌或其水解酶作用下,最终分解成CO2及水等物质,回归环境,被称为“绿色塑料”。2.2.1.1 生物发酵法
主要用于生产脂肪族聚酯类聚合物,如聚羟基丁酸酯(PHB)、聚羟基戊酸酯(PHV)、PHB和PHV的共聚物(PHBV)、聚乳酸(PLA)、聚羟基丁酸酯、聚羟基乙酸及其共聚物等。但由于发酵法降解聚合物成本太高,而未被广泛应用。目前,脂肪族聚酯类聚合物大都用化学合成法生产。2.2.1.2 化学合成法
化学合成法可降低降解聚合物生产成本,是最终把降解塑料推向市场的有效方法。目前,用化学合成的聚合物主要有聚己内酯(PCL)、聚琥珀酸丁二酯(PBS)、脂肪族聚酯/芳香族聚酯共聚物(CPE)、脂肪族聚酯/氨酯共聚物、脂肪族聚酯互聚物等。
PCL由ε-己内酯经开环聚合而得,是一种热塑性结晶型聚酯,熔点为80℃,可在2000℃以上加工,且与多种聚合物有较好的相容性。另外,低相对分子质量的PCL二元醇可以用作生物降解聚氨酯的原料,PCL与PHB共混,也可制备生物降解塑料。PBS由缩合反应合成,熔点为113℃,但其降解速度较慢。可将己二酸与PBS共聚,或将羟烷基二羟酸用作PBS的二元酸成分共聚,以提高降解性。
为了改善脂肪族聚酯的耐热性和机械性能等物性,开发了芳香族与脂肪族聚酯的交替共聚物CPE。CPE的脂肪酶降解性随芳香族聚酯配比的增加而降低。研究表明,CPE中的芳香环可使CPE链具有刚性,这是使CPE的脂肪酶降解性降低的主要原因。脂肪族聚酯/氨酯共聚物可由脂肪族聚酯与氨酯进行酯交换反应制得。该类聚合物与脂肪族聚酯相比,是一种新型生物降解塑料。2.2.1.3 天然高分子共混
利用化学合成高分子混入具有生物降解性的天然高分子(如淀粉、甲壳素、木质素、纤维素及动物胶等),以使产品具有降解性,这是近年来开发的热点。主要品种有PHB/PCL、糊化淀化/PCL、糊化淀粉/PHBV及天然橡胶/PCL共混制品[5]。这类塑料可完全生物降解,通过共混可提高其耐热性,改善物性和耐水性,降低成本,可望成为通用生物降解塑料。2.2.2 生物崩环塑料
生物崩环塑料属于不完全生物降解塑料,是在聚烯烃通用塑料中混入具有生物降解性物质,使其丧失力学性能,在一定条件下,此类塑料能通过堆肥化获得与生物降解塑料同样的效果。此类塑料的主要优点是可使用通用塑料的加工工艺和设备,从而可降低生产成本;缺点是降解不完全,不能完全消除对环境的污染。此类塑料主要有淀粉类和脂肪族聚酯类两种。淀粉类生物崩环塑料是淀粉与通用塑料的共混物,目前,对该类塑料的争议较多,对其降解性和使用安全性尚需进一步研究。通用塑料的加工和使用性能良好,但不易降解,如能确认共混物在被微生物分解解体后,能和腐殖质一起稳定地存在于土壤中,不对土壤结构造成破坏,就这一点而言,此类塑料较完全生物降解塑料更优越,其用途将会不断扩大[5]。2.3 光/生物降解塑料
光—生物降解塑料具有光及生物降解双重性是当前世界降解塑料的主要研究方向之一。国外开发的主要品种有美国Ecostar International公司的E-costar plus母粒;美国Ampact公司的PolygradeⅢ产品和美国ADM公司的Poly clean产品;法国CL-EX-TRAL公司的聚烯烃/磷化催化型聚合物[7]。我国开发的光—生物降解塑料主要是光—生物降解地膜现已基本满足要求,并正在开发其它领域所需产品。
3.存在问题与今后发展方向
3.1存在问题
降解塑料作为一种治理塑料废弃物的全新技术途径，经过多年研究开发，目前已取得令人满意的进展，但也存在一些问题困:(l)生物降解高分子材料的价格高，不易推广应用，如我国在铁路上推广的降解聚丙烯快餐盒比原用的聚苯乙烯泡沫快餐盒价格高50一80%。
(2)使用性能尚不尽如人意。目前国内外公布的各种品牌淀粉塑料，力学性能一般。
(3)降解高分子材料的降解控制问题有待于解决。准确的时控性和用后完全、快速降解离实用要求还有相当大的差距，特别是填充型淀粉塑料，其大部分根本不可能在1年内降解。
(4)高分子材料的生物降解性评价方法有待完善。由于降解塑料的降解性能制约因素很多，因此降解到底意味着什么，其降解时间是否应有所定义，降解产品是什么，这些问题均未能达成共识，其评价方法和标准更是五花八门。3.2发展方向
为使降解塑料技术在已取得较大成就的基础上有更大的发展，从发展趋势看来，有以下几个方面的问题值得在今后进行深人的探讨和研究:(l)利用纤维素、淀粉、甲壳素等天然高分子材料制取生物降解塑料，进一步开发改良天然高分子的功能与技术。(2)利用分子设计、精细合成技术合成生物降解塑料。
(3)采用生物基因工程，利用绿色天然物质制造降解高分子材料，如纤维素、菜油、桐油、松香等天然物质。
(4)通过微生物的培养获得生物降解塑料。寻找能合成高分子塑料的微生物，通过现有方法及基因工程的手段提高其生产性。
(5)可降解塑料改性也是一个重要的方面。通过淀粉或纤维素等可降解的高聚物对通用型聚合物(如聚乙烯和聚丙烯等)进行共混改性或接枝改性，可制备一种光一生物共降解塑料薄膜。
可降解塑料的发展是一项长期工作，需国家政策、法律、资金扶持以及科研与企业界两方面的互动。企业的活力决定了可降解材料产业的活力，而科研力量的强弱决定了可降解材料产业的层次。如何整合资源，在新形势下求得共赢，是该行业需要破解的问题。【4】 3.3发展前景
据预测，2005年中国将产生难以回收利用的塑料废弃物350万吨，若部分以可降解塑料替代，则可减轻其对环境的污染程度。2005年中国塑料包装材料需求量将达到500万吨，其中难以回收的废弃物产生量达150万吨；中国所需地膜，加上育苗钵、农副产品保鲜材料等预计需求量达100万吨；一次性日用杂品和医疗材料中的一部分也是难以回收或不宜回收利用的塑料，预计其需求量达100万吨。若将其中的50%用可降解塑料替代，则可降解塑料的需求量达到175万吨，其市场前景良好。【5】
参考文献:
【1】宿志弘,邢华.我国白色污染及防治对策研究[J].中国环境管理,2004,(2).【2】苗少娟.大麦虫Zophobas morio的生物学特性及其对塑料降解作用的研究[D].西北农林科技大学: ,2010.【3】李星 刘东辉 黄云华.我国可降解塑料的现状和发展趋势
环卫科技网 2010-07-19 【4】史吉平,杜风光,闫德冉,董青山,张龙,.我国可降解塑料研究与生产现状[J].上海塑料,2006,(2)【5】钱伯章,朱建芳.可降解塑料的应用现状和发展趋势[J].上海化工,2004,(10)
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