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近年來，隨著經濟的飛速發(fā)展，人們對物質和精神的追求越來越高，對產品的包裝也相應的有了更高要求，人們在購買產品時，不僅看外包裝的美觀程度，還考慮其他各種各樣的功能。正是由于人們對產品包裝的追求不斷提升，很多新型包裝材料不斷被應用到產品包裝中。

 

合成高分子材料具有質輕、強度高、化學穩(wěn)定性好以及價格低廉等優(yōu)點，與鋼鐵、木材、水泥并列成為國民經濟的四大支柱，被廣泛應用到產品的包裝中。然而,其使用后的大量廢棄物也與日俱增，成為白色污染源，嚴重危害環(huán)境,造成下水及土壤污染，危害人類生存與健康，給人類賴以生存的環(huán)境造成了不可忽視的負面影響。另外，生產合成高分子材料的原料——石油也總有用盡的一天，因而,尋找新的環(huán)境友好型材料，發(fā)展非石油基聚合物迫在眉睫，而可生物降解材料正是解決這方面問題的有效途徑。

 

可生物降解材料定義及降解機理

 

生物降解材料，亦稱為“綠色生態(tài)材料”，指的是在土壤微生物和酶的作用下能降解的材料。具體地講，就是指在一定條件下，能在細菌、霉菌、藻類等自然界的微生物作用下，導致生物降解的高分子材料。

 

理想的可生物降解材料是一種具有優(yōu)良的使用性能、廢棄后可被環(huán)境微生物完全分解、最終轉化成CO2 和H2O而成為自然界中碳素循環(huán)的一個組成部分的高分子材料。

生物降解材料的分解主要是通過微生物的作用，因而，生物降解材料的降解機理即材料被細菌、霉菌等作用消化吸收的過程。首先，微生物向體外分泌水解酶與材料表面結合，通過水解切斷表面的高分子鏈，生成小分子量的化合物，然后降解的生成物被微生物攝入體內，經過種種代謝路線，合成微生物體物或轉化為微生物活動的能量，最終轉化成水和二氧化碳。按其降解的化學本質則分為水解和酶解兩種。

 

01、水解機理

 

材料的降解實質上是其內部的高分子鏈段在特定條件下斷裂成低分子量的寡聚物，并最終分解為單體的過程。材料的“溶蝕”則是指由于分子鏈發(fā)生斷裂，形成的水溶性小分子物質離開聚合物材料，導致材料的力學性能降低，材料最終完全消失的過程，溶蝕又可表面溶蝕和整體溶蝕。

 

如果分子鏈段的降解速度比水分子在材料中的擴散速度快，鏈段的水解限制在材料表面，而很難進入到材料的內部，這種方式屬于表面溶蝕或異相溶蝕，如果水分子在材料的擴散速度比高分子鏈段的水解速度快，那么材料表面和內部的降解同時進行，因此屬于整體溶蝕。

 

02、酶解機理

 

酶促水解機理

對于易水解的聚合物，在體內可能同時存在單純的水解和酶催化水解兩種作用。脂肪酶能促進聚酯分解，而水解酶可促進易水解聚合物的降解。脂肪酶R.delemer lipase、Rhizopus arrhizus lipase、Pseudomnas lipase為PCL的特異性降解酶,在這些酶存在下，PCL降解速度加快,在通常情況下完全降解需要2-3年，而在酶的存在下完全降解時間縮短為幾天。

酶促氧化機理

對一些非水解性聚合物，其可能的降解機理是酶促氧化機理。免疫組織學研究證實，材料在體內最后通過吞噬細胞內吞作用而被吸收代謝的。高分子生物材料植入體內后,在局部會引起不同程度的急性炎癥反應，當組織受到損傷后，周圍血管的通透性發(fā)生變化,多核白細胞迅速向炎癥部位移動，被激活的中性粒細胞能使單核細胞分化為巨噬細胞。多形核白細胞和巨噬細胞的代謝產生出大量的過氧陰離子，這種不穩(wěn)定的中間體進而轉換為更強的氧化劑過氧化氫。體內的還原型輔酶(NADPH)，氧化酶都參與了這個轉化反應，而過氧化歧化酶(SOD)則起到加速轉化的作用。過氧化氫有可能在植入部位引發(fā)聚合物自身分解反應；同時過氧化氫在肌過氧化酶(MPO)的作用下可進一步轉化為次氯酸。次氯酸也是一種生物材料的強氧化劑，可氧化聚酰胺、聚脲、聚氨酯中的氨基，使高分子鏈斷開，從而達到降解的作用。

 

在生物可降解材料中，對降解起主要作用的是細菌、霉菌、真菌和放線菌等微生物，按其降解作用的形式又可分為3種：

 

1、生物的物理作用，由于生物細胞的增長而使材料發(fā)生機械性毀壞；

 

2、生物的生化作用，微生物對材料作用而產生新的物質；

 

3、酶的直接作用，微生物侵蝕材料制品部分成分進而導致材料分解或氧化崩潰。

 

可生物降解材料的特點

 

生物降解材料具有以下特點：

 

1、可與垃圾一起處理，也可制成堆肥回歸大自然；

 

2、因降解而使其體積減小，延長填埋場使用壽命；

 

3、不存在普通塑料需要焚燒的問題,可抑制二嗯英等有害氣體的排放；

 

4、可減少隨意丟棄對野生動植物的危害；

 

5、儲存運輸方便，只要保持干燥,不需避光；

 

6、應用范圍廣，不但可以應用于農業(yè)和包裝行業(yè),還可以廣泛應用于醫(yī)療行業(yè)。

 

可生物降解材料的分類

 

生物可降解材料按降解機理和破壞方式可分為完全生物降解型和生物破壞性材料兩種：

 

01、完全生物降解材料

 

完全生物降解材料是指本身可以被細菌、真菌、放線菌等微生物全部分解的生物降解材料。它能在細菌或其水解酶作用下,最終分解成二氧化碳和水等物質回歸自然，所以被稱為“綠色材料”。從制備方法上可分為3 種：微生物發(fā)酵法、化學合成和天然高分子共混。

 

02、生物破壞性材料

 

生物破壞性材料是對材料水平而言的，主要是天然高分子與通用型合成高分子通過共混或共聚而制成的降解材料。其組合方式有以下幾種：

 

1、用熔融和溶液共混的方法； 

 

2、將一種高分子材料分散于另一種高分子的水溶液中，形成懸浮體系，最后制成各種復合物；

 

3、將天然高分子材料分散或溶解在可進行聚合反應地體系中,進行均聚和共聚合反應，使體系中地單體聚合,得到含天然高分子地復合材料；

 

4、將天然高分子在適當?shù)臈l件(如酸性或堿性等）下進行適當?shù)慕到猓⑹菇到夂蟮姆肿渔湺闻c其它單體聚合反應，從而制備具有生物降解性能的新型共聚物。

 

可生物降解材料的應用

 

生物降解材料是20世紀80年代后隨著環(huán)境、能源等矛盾的突出而發(fā)展起來的新型材料，可以部分代替通用塑料。目前,生物降解材料主要應用在環(huán)保和醫(yī)學領域。

 

生物降解材料發(fā)展面臨的問題

 

近年來,國內外可生物降解材料得到了很快地發(fā)展.尤其是一次性使用材料制品，如可降解食品包裝袋、飲料瓶、農用薄膜等已實現(xiàn)了工業(yè)化生產。但是目前可生物降解材料的開發(fā)和應用還存在以下的一些問題：

 

1、市場應用：由于生產可降解材料的成本偏高，造成其在市場中價格偏高，這樣就給可降解材料的推廣造成了很大的影響。

 

2、技術與工藝：與傳統(tǒng)塑料相比，可降解材料存在抗水性差、力學性能差和加工性能差的問題，很難滿足工業(yè)化生產要求.另外，降解材料準確的降解時控性，用后快速降解性、徹底降解性以及邊角料的回收利用技術等還有待進一步提高和完善。

 

3、降解材料的標準及實驗評價方法：對生物降解材料,世界上尚沒有統(tǒng)一的實驗評價方法，識別標志和產品檢測技術,致使缺乏正確統(tǒng)一地認識和確切地評價，產品市場比較混亂，真假難辯。

 

可生物降解材料的前景展望

 

近年來,隨著原料生產和制品加工技術的進步，可生物降解材料備受關注，成為可持續(xù)、循環(huán)經濟發(fā)展的焦點。無論是從能源替代、二氧化碳減少，還是從環(huán)境保護以及解決“三農”問題上，都具有重要意義。目前我國生物降解材料開發(fā)和應用領域，在自主知識產權、創(chuàng)新型產品等方面的研發(fā)能力、投入量等方面均有待提高，生物降解材料的回收處理系統(tǒng)還有待完善。

 

為了更好地實現(xiàn)可生物降解材料的產業(yè)化，今后還應該在以下幾個方面做出努力：

 

1、建立快速、簡便的生物降解性的評價方法，反映降解材料在自然界中生物降解的實際情況；

 

2、進一步研究可生物降解材料的分解速率、分解徹底性以及降解過程和機理，開發(fā)可控制降解速率的技術；

 

3、通過結構和組成優(yōu)化、加工技術及形態(tài)結構控制等,開發(fā)調控材料性能新手段；

 

4、為了提高與其他材料的競爭力，必須研究和開發(fā)具有自主知識產權的新方法、新工藝和新技術，簡化合成路線,降低生產成本，參與國際競爭。