李春靜
摘要:為深入了解可生物降解材料的相關(guān)發(fā)展及其應(yīng)用,作者從可生物降解材料的相關(guān)概述及其作用原理入手,對可生物降解材料相關(guān)發(fā)展概述進(jìn)行了深入的分析,并在此基礎(chǔ)上探究了可生物降解材料的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:可生物降解材料;作用原理;應(yīng)用
中圖分類號:G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A ? ? 文章編號:1674-9324(2020)01-0125-02
一、可生物降解材料的相關(guān)概述及其作用原理
隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,人們的生活水平有了很大的提高,但是隨之而來的還有一些環(huán)境問題,不僅影響了生態(tài)系統(tǒng),而且給人們的身體健康也帶來了很大的影響。如何利用生物降解的方式實現(xiàn)無二次污染的目標(biāo),成為人們爭相研究的課題。降低白色污染的危害并且探尋全新的環(huán)境友好型非石油基聚合物是當(dāng)前很多研究者關(guān)注的課題,而生物降解材料就是解決這一問題的有效途徑和合理選擇,這也符合我國可持續(xù)發(fā)展的基本要求,滿足我國國情發(fā)展的需求。而所謂的可生物降解材料,主要指的是在材料中添加某種能加快降解速度的添加劑制成的材料,讓材料本身具備可生物降解的功能。這種材料能夠在使用和保存期間滿足基本的使用要求,不會因為添加了額外的添加劑而對材料本身的性能造成很大的影響,這也是選擇添加劑時的一個基本原則。在使用完成以后,置于特定的環(huán)境中,在最短的時間里使材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從而使它的性能也發(fā)生變化,造成性能的損失。一般來講,我們最想得到的生物降解高分子材料是一種具有優(yōu)良使用性能的材料,當(dāng)它的價值利用完以后,在環(huán)境中可以分解成二氧化碳和水,而不會生成其他對環(huán)境有害的生成物,而生成產(chǎn)物被無機(jī)化,變成自然界碳循環(huán)的一分子。
而可生物材料降解的作用原理,其實就是讓材料被環(huán)境中的微生物分解,成為它們的養(yǎng)料。一般認(rèn)為,生物降解并不是單一機(jī)理,而是多重機(jī)理共同發(fā)揮作用,只是有一個機(jī)理占主導(dǎo),其他機(jī)理共同參與。水解、氧化等過程是降解過程肯定存在的基本反應(yīng)類型,也是對降解過程影響最大的反應(yīng),這些作用相互促進(jìn)、相互影響,最終實現(xiàn)生物降解材料的目的。生物降解過程主要有三個步驟:(1)高分子材料表面被環(huán)境中的微生物黏附,所以對于一個完整的材料而言,它的表面首先遭到破壞。微生物黏附到材料表面的方式受到材料性質(zhì)的影響,比如表面張力、表面結(jié)構(gòu)類型、材料是否有多孔性的特點、環(huán)境溫度及濕度等。(2)微生物在材料表面分泌分解酶,通過水解和氧化等反應(yīng)把高分子鏈“融斷”,使其分解成為小分子化合物,然后再不斷重復(fù)這個過程,直到反應(yīng)終止。(3)微生物吸收并消耗這些小分子化合物,然后經(jīng)過生理代謝,把這些小分子化合物變成二氧化碳和水等。當(dāng)然,一般來講,實際的降解過程,除了包括上面提到的生物化學(xué)作用過程以外,還有一些生物物理的作用。比如,微生物附著到材料表面以后,由于細(xì)胞增大而使高分子材料被機(jī)械性地破壞,從而加速了生物化學(xué)反應(yīng)速度,提高反應(yīng)速率。
二、可生物降解材料相關(guān)發(fā)展概述
可生物降解高分子材料對于當(dāng)前社會發(fā)展的重要性不言自明,而且很多國家的研究者正致力于其發(fā)展研究,正在積極地開發(fā)和探索,而且從目前的情況來看,把它的應(yīng)用進(jìn)一步推廣,是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的有利選擇。為了能夠讓可生物降解材料更好地服務(wù)于人類,體現(xiàn)出這種材料獨特的優(yōu)勢,除了要擴(kuò)大它的使用功能以外,還需要降低制造成本,提高可生物降解材料的市場競爭力,讓它成為更多人的選擇。可生物降解材料的發(fā)展速度非??欤绕涫窃谌藗冊絹碓疥P(guān)注環(huán)境問題的今天,其價值越來越大。雖然還有些技術(shù)有待提高,有些難題有待攻破,但是這并不影響其發(fā)展勢頭,在不久的將來,可生物降解材料的應(yīng)用范圍將會更大,它的應(yīng)用前景將會更為廣闊。
三、可生物降解材料的應(yīng)用
1.在一些產(chǎn)品包裝上的應(yīng)用。當(dāng)前,發(fā)泡聚苯乙烯、聚乙烯以及聚丙烯是產(chǎn)品包裝的主要原材料,而這些材料卻是造成白色污染的主要源頭,而且由于用量大、處理難度高,所以給環(huán)境保護(hù)帶來很大的壓力,這也是人們希望用可降解塑料來代替這些白色污染源的主要原因。在人們生產(chǎn)和生活中,選擇這些可生物降解材料制成的食品袋、包裝盒、垃圾袋等包裝容器,不僅非常符合當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要,而且還能夠有效降低生活成本。生物降解包裝材料一般是把可降解的高分子聚合物加入層壓膜中或者直接與層壓材料共混成膜。當(dāng)然,與垃圾袋、外包裝相比,用于食品包裝的材料要求更高,要能夠保證食品不腐爛、隔絕氧氣并且材料本身是無毒無害的。其中應(yīng)用最為廣泛的就是PHV以及PHB,它們的最大一個特點就是與PE和PP物理性質(zhì)相似,而且保溫性能好。當(dāng)材料使用完成以后,可以選擇生物降解,也可以直接焚燒,這兩個過程所消耗的氧氣含量很低,與光合作用釋放到大氣的氧氣含量接近,而產(chǎn)生的二氧化碳也可以為光合作用提供原料,所以可以進(jìn)入碳循環(huán)。
2.在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用??缮锝到獠牧显谏镝t(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用更高級一些,要求也更高一些。其所遵循的原理就是在生物體內(nèi),通過水解、酶解等過程,把一些大分子物質(zhì)降解成一個個小的,并且對生物機(jī)體沒有損害的小分子物質(zhì),而且這些小分子物質(zhì)能夠被生物機(jī)體自行吸收或者排出體外,對機(jī)體不會帶來負(fù)面影響,也不會增加生物機(jī)體的負(fù)擔(dān)。這種材料應(yīng)用最為廣泛的是外科手術(shù)的縫合線、人造皮膚、骨固定材料以及體內(nèi)藥物緩解劑等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的像聚丙烯、尼龍等做成的醫(yī)用縫合線都不能被生物機(jī)體所吸收,所以還需要進(jìn)行后續(xù)的拆線步驟,不僅會留下很明顯的痕跡,還會給病人帶來較大的痛苦。而如果使用這些可生物降解原材料制成的縫合線,比如聚乙交酯等,在傷口愈合以后直接被生物機(jī)體自行吸收、降解,就省去了后續(xù)的拆線步驟,這種技術(shù)已經(jīng)逐漸普及化。而利用可生物降解材料制成的人工皮膚,可用來治療燒傷,而且也不用擔(dān)心排斥反應(yīng)。對于人體皮膚很重要的膠原蛋白也可以人工制成,這也是可生物降解材料的一種,都有非常廣泛的發(fā)展前景。不同的藥物在人體內(nèi)的吸收速度也不相同,如果能夠控制藥物在人體內(nèi)的釋放速度,讓藥物在生物機(jī)體內(nèi)始終保持一個理想的濃度,這對于提高藥物反應(yīng)時間和利用率非常有幫助,而利用可生物降解材料就可以很好地實現(xiàn)這個功能,增加藥物的穩(wěn)定性。
3.在水資源方面的應(yīng)用。我們經(jīng)??梢钥吹揭恍┧芰侠鴮λY源的破壞,不僅給水中生物帶來災(zāi)難,同時還污染了水源,讓我們這個水資源本來就不足的國家雪上加霜。所以,把可生物降解材料應(yīng)用到水資源保護(hù)方面,不但可以對我國的水資源形成保護(hù),而且還能夠促進(jìn)水中生物的健康成長。在水域環(huán)境中,實現(xiàn)可生物降解材料應(yīng)用的條件是讓這些材料能夠被海洋中的微生物降解,發(fā)揮出生物酶的作用,把高分子材料降解成為低分子化合物,而還要求這些低分子化合物能夠參與到微生物的新陳代謝過程,最終變成二氧化碳和水。聚己內(nèi)酯屬于半晶型脂肪族聚酯材料的一種,它的熔點很低,所以具有非常優(yōu)越的熱塑性和加工成型性,完全滿足擠出、注塑、拉絲以及吹膜等常見的成型工藝。聚己內(nèi)酯在土壤中被微生物降解的速度非???,在一年之內(nèi)就可以只剩下5%,但是在空氣中卻看不出明顯的降解現(xiàn)象。由于聚己內(nèi)酯的這些優(yōu)點,這些年來已經(jīng)有很多研究者把它應(yīng)用到水資源保護(hù)工作當(dāng)中,并且取得了一定的成效。
4.在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用。與過去不同,現(xiàn)在人們可以吃到任何季節(jié)的蔬菜,而這要得益于大棚種植技術(shù)的發(fā)展。在這個過程中,會應(yīng)用到很多的地膜,如果使用那些不能被生物降解的地膜材料,那么這些地膜材料就會在土地長期殘留,不僅對土壤結(jié)構(gòu)帶來很大的破壞,而且還會給人的生命健康帶來影響。所以,針對這種情況,有些研究者就把目光投入了可生物降解地膜材料上,希望能夠用這些可生物降解的材料替代傳統(tǒng)的地膜材料,讓這些地膜材料在廢棄以后,不僅不會對土壤結(jié)構(gòu)造成破壞,而且還可以優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu),通過生成二氧化碳和水讓土壤充滿更多的氣孔,讓更多的氧氣進(jìn)入土壤,促進(jìn)光合作用,提高產(chǎn)量。微生物可以在廢棄地膜表面繁殖長大,然后通過一系列的生物化學(xué)、生物物理等作用,把殘留的地膜變成二氧化碳和水,做到無公害處理。這種可生物降解地膜的使用量少,在農(nóng)民可接受范圍之內(nèi),而且也不需要掌握什么技術(shù)就可以大范圍應(yīng)用,所以這種地膜非常容易推廣,有很大的發(fā)展空間。
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Development and Application of Biodegradable Materials
LI Chun-jing
(Hebei Chemical & Pharmaceutical College,Shijiazhuang,Hebei 050026,China)
Abstract:In order to understand the related development and application of biodegradable materials,the author starts with the related overview of biodegradable materials and their principles of action,makes a thorough analysis of the related development of biodegradable materials,and explores the application of biodegradable materials on this basis.
Key words:biodegradable materials;principle of action;application