摘要：⽣物可降解材料因其具有可降解的特性越来越受到⼈们的关注。本⽂主要介绍⽣物可降解塑料的应⽤背景，塑料的最新研究及其成果。其中可降解塑料包括淀粉基⾼分⼦材料、聚乳酸和PHB。硬质合金锯片铣刀
关键词：⽣物可降解塑料⽩⾊污染淀粉基材料聚乳酸PHB
现代材料包括⾦属材料、⽆机⾮⾦属材料和⾼分⼦材料作为现代⽂明三⼤⽀柱（能然、材料、信息）之⼀在⼈类的⽣产活动中起着越来越重要的作⽤。[1]传统的⾼分⼦塑料在给国民经济带来快速发展，⼈民⽣活带来巨⼤改变的同时也给⼈类的⽣存环境带来了巨⼤的破坏。当今社会“⽩⾊污染”的问题变得越来越受关注。这类塑料由于在⾃然环境下难以降解处理，以致造成了城市环境的视觉污染，同时由于它们不能像草⽊⼀样被⽣物降解，还常常引起动物误⾷，并造成⼟壤环境恶化。塑料制品在⾷品⾏业中⼴泛使⽤，⾼温下塑料中的增塑剂、稳定剂、抗氧化剂等助剂将渗⼊到⾷物中，会对⼈的肝脏、肾脏及中枢神经系统造成损害。塑料的⼤量使⽤必然会带来如何处理废弃塑料的难题。传统的塑料处理⽅法主要包括直接填埋、焚烧、⾼温炼油等⽅法。这些处理⽅法不仅对环境造成破坏，同时也对⼈类健康构成巨⼤威胁。⽯油、天然⽓等能然已⾯临危机，以⽯油为原料的塑料⽣产将受到很⼤的阻⼒。为了减少废弃塑料对环境的污染和缓解能然危机，多年来⼈们努⼒开发⽣物可降解材料，⽤以替代普通塑料。⽣物可降
解塑料是指⼀类由⾃然界存在的微⽣物如细菌、霉菌（真菌）和藻类的作⽤⽽引起降解的塑料。理想的⽣物降解塑料是⼀种具有优良的使⽤性能、废弃后可被环境微⽣物完全分解、最终被⽆机化⽽成为⾃然界中碳素循环的⼀个组成部分的⾼分⼦材料。⽣物降解过程主要分为三个阶段：（1）⾼分⼦材料表⾯被微⽣物粘附；（2）微⽣物在⾼分⼦表⾯分泌的酶作⽤下，通过⽔解和氧化等反应将⾼分⼦断裂成相对分⼦量较低的⼩分⼦化合物；（3）微⽣物吸收或消化⼩分⼦化合物，经过代谢最终形成⼆氧化碳和⽔。
⼀、⽣物可降解材料的种类
按照原料组成和制造⼯艺不同可分为以下三种：天然⾼分⼦及其改性材料、微⽣物合成⾼分⼦材料和化学合成⾼分⼦材料。天然⾼分⼦中含量最丰富的资源包括纤维素、甲壳素、⽊质素、淀粉、各种动植物蛋⽩质以及多糖类等，他们具有多种官能团，可通过物理或化学的⽅法改性成为新材料，也可通过物理、化学及⽣物技术降解成单体或低聚物⽤作能源及化⼯原料。微⽣物合成⾼分⼦降解塑料是由⽣物发酵⽅法制的⼀类材料。
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⼆、最新研究成果及其应⽤
2.1天然⾼分⼦及其改性材料
天然合成⾼分⼦降解塑料天然⾼分⼦⼤多数可以⽣物降解，但热学、⼒学性能差，不能满⾜⼯程材料的性能要求。通过对天然⾼分⼦改性可以得到能有实⽤价值的天然⾼分⼦降解塑料。其中天然⾼分⼦聚合物降解塑料包括淀粉、纤维素、⽊质素、多糖以及蛋⽩质等为基材的复合材料。淀粉是植物经光合作⽤⽽形成的碳⽔化合物，由于其来源⼴泛、价格低廉、降解后仍以⼆氧化碳和⽔的形式回归到⾃然，被认为是完全没有污染的可再⽣能源，以淀粉基⾼分⼦材料的塑料制品已在⾮⾷⽤领域得到了⼴泛的开发和研究。
淀粉基⾼分⼦材料包括淀粉填充塑料和完全淀粉基塑料。其中，淀粉基填充塑料主要是指以淀粉作为填充剂，与PE、PP等通⽤塑料共混。[2]传统的淀粉填
工艺钟表
充材料通过挤压、注塑、吹塑、流延等⽅法制得，由于这些疏⽔性的⾼聚物与亲⽔性的淀粉没有相互作⽤的功能官团，因⽽它们之间相容性很差。通过在亲⽔性淀粉和⾮极性⾼分⼦塑料之间添加增容剂，可以增强淀粉/塑料共混体系的相容性，增强材料的机械性能。美国农业部研制的PE与淀粉的共聚物，采⽤⼄烯-丙烯酸共聚物（EAA）作为增容剂，利⽤EAA中和淀粉链上的烃基起反应⽣成脂类，改变了淀粉的表⾯特性，在其表⾯形成了⼀层与聚⼄烯相容性很好的表⾯层⼤，⼤⼤增加了聚⼄烯与淀粉之间的结合⼒。[3]⾼建平等研究表明，在淀粉中加⼊多元醇，由于多元醇类具有与淀粉形同的羟基，与淀粉具有很好的相容性。随着纳⽶技术的发展，越来越多的研究者着⼒于淀粉纳⽶复合机材料。Evans[4]等发现淀粉能够与钠基蒙脱⽯、天然锂蒙脱⼟、季铵盐改性的锂蒙脱⼟分粉形成纳⽶复
磁动车
合材料，淀粉材料的模量获得提⾼，淀粉的耐⽔性也得到了改善。淀粉的化学改性是指⽤化学试剂来处理淀粉，处理过程中有酯化、醚化、氧化、交联等化学反应发⽣，使淀粉的基本结构发⽣改变从⽽达到该⾏的⽬的。在那海宁的试验中，通过先糊化、后共混、再交联的薄膜制备⼯艺过程，能够获得⾼淀粉填充量的淀粉/聚⼄烯完全⽣物降解塑料薄膜。刘伯业的试验中，通过对⼤⾖蛋⽩和淀粉进⾏辐照处理，⼀定的热压温度促使结晶区内残存的⾃由基移⼊⾮结晶区的分⼦链，从⽽使结晶区内部分⼦挣脱束缚参与交联，可以提⾼材料的⼒学性能、耐⽔性。在张跃峰[5]的研究中，将⾃制的醋酸酯淀粉（SA）和醋酸纤维（CA）溶于丙酮溶剂中，在柠檬酸三丁酯（TBC）为交联剂的作⽤下进⾏交叉克莱森酯缩合反应，制备出了淀粉基材料含量不同的可降解塑料薄膜。淀粉填充型塑料混⼊的塑料不具备降解性，其降解主要依靠淀粉组分的分解，并⾮真真意义上的降解塑料。完全淀粉基塑料是以淀粉为主体，加⼊适量的可降解添加剂，⽣产⽣物可降解塑料。在付秀娟等⼈的试验中，将该性淀粉、⽢油、增容剂、增塑剂与聚⼄烯醇溶液共混，在⽔浴沸腾中状态下糊化1h左右，制得糊化完全且分散均匀的树脂，具有透明度好，机械性能好，可⽤于农⽤薄膜及餐具。意⼤利的Novamont 公司⽣产了淀粉/聚⼄烯醇共混合⾦，商品商标为Mater-Bi，它有三种不同产品系类。A系列基本成分是淀粉、⼄稀-⼄烯醇共聚物和普通的增塑剂，这类材料主要⽤于注射成型制品；Z系列主要是淀粉、⼄稀-⼄烯醇共聚物和普通的增塑剂，这类材料主要⽤于⽣产薄膜和⽚材。V系列主要成分是淀粉，⽤于⽣产产泡沫材料。[3]
2.2化学合成⾼分⼦材料
起重安装
完全⽣物降解性塑料在化学⽅法合成时利⽤脂肪族聚脂、聚⼄烯醇（PVA）和聚⼄⼆醇⽣产容易降解。利⽤这些⾼分⼦易⽣物降解的特性对⽣物降解塑料进⾏研究开发。⽬前，脂肪族聚酯主链⼤都由脂肪族结构单元通过易⽔解的酯键连接⽽成，易被⾃然界中的多种微⽣物或动植物体内酶分解、代谢，最终⽣成⼆氧化碳和⽔，是⽣物降解材料种最具发展前景的⼀类⾼分⼦材料，包括聚烃基脂肪酸酯、聚已内酯、聚乳酸，以及由⼆元酸、⼆元醇制成的聚酯等。其中，以乳酸为原料⽣产的聚乳酸，性能优于聚⼄烯、聚丙⼄烯、聚苯⼄烯等材料，被产业界称为21世纪最有发展前途的新型包装材料。聚⼄烯以⽟⽶、⼩麦、⽊薯等植物中的淀粉为最初原料，经过酶分解得到葡萄糖，再经过乳酸菌发酵后得到乳酸，单个乳酸分⼦包含⼀个-COOH和-OH个，多个聚乳酸分⼦通过-COOH和-OH间的脱⽔缩合反应最终得到⾼纯度的聚乳酸（PLA）。聚乳酸的合成主要采⽤直接缩聚法、丙交酯开环聚合（两部法）法。氨气生成一氧化氮
通过在聚乳酸合成过程中将蒙脱⼟、滑⽯粉、纳⽶碳酸钙、硫酸钡等⽆机物成核剂均匀分散到聚乳酸基体中，可以提⾼聚乳酸的结晶速率，从⽽⼤⼤⽽提⾼聚乳酸的耐热性和⼒学性能。聚乳酸在⽔体系中可以分解，在⼈体内的降解具有与酶⽆关的特性，⽽在⼟壤、海⽔中也能接受微⽣物多酶的作⽤。
聚乳酸⽆毒，⽆刺激性⽓味，易加⼯成型，具有较好的机械性能和⽣物相容性，被⼴泛⽤作农⽤薄膜或城市⼯程或⾷品、饮料化学品包装袋。聚乳酸在⼈体内可以被可以被吸收，在⽣物医学上可以⽤作外科⼿术缝合线、药物控制释放系统、组织⼯程⽅⾯的应⽤、⾻折内固定材料、基因载体以及眼科材料等。
2.3微⽣物合成⾼分⼦材料
微⽣物是⽣物界中最⼩的⽣物，其形体微⼩，外貌不显，但它的作⽤却是不
可估量。随着现代⽣物技术的发展，有益微⽣物在社会⽣产⼒的发展中发挥着重要作⽤，微⽣物⽣产已与动植物⽣产并列成为⽣物产业三⼤⽀柱之⼀。微⽣物在新陈代谢过程中，在合成蛋⽩质、核酸和多糖等⼤分⼦物质的同时, 在细胞内还贮存聚烃基烷酸（PHA）。已鉴定的PHA约有40种，其中PHB（聚-β-羟丁酸）是PHA的典型代表。这是⼀种塑料样的可⽣物降解的⾼分⼦材料。它存在于许多细菌细胞质内属于类脂性质的碳源类贮藏物，它的主要⽣产菌种是真养产碱杆菌、固氮菌和假单胞菌。⽬前PHB⼤规模⼯业⽣产的最⼤障碍是价格太⾼，必须设法降低其成本。通过对原始菌株的诱变、基因⼯程等技术和⽅法选育出产PHB的优良的菌株。在季爱云等试验中，对⽣产PHB的细菌进⾏紫外诱变，
得到突变菌株uZ-13，⼤⼤提⾼了PHB的产率。清华⼤学⽣物系陈国强教授采⽤基因⼯程菌⽣产PHB，产品已实现产业化，市场前景看好。微⽣物发酵的条件对PHB的产量产⽣有影响。在韩厚平等的研究中，通过对从活性污泥中筛选出的⾼产PHB菌株LY-1进⾏发酵条件优化，采⽤控制变量法以及正交试验等⽅法确⽴其各⾃培养基的最佳温度、最适⽣长pH、最佳碳源和氮源，使得PHB⽣物产量得到明显提升。PHB具有良好的⽣物降解性，⽤PHB制成的塑料制品的废弃物在⼟壤中被微⽣物所分泌的胞外降解酶分解，且其分解产物可全部为⽣物利⽤，对环境⽆任何污染，因⽽在可降解塑料⼯业中占据重要地位。PHB具有⽣物相容性、⽣物可降解性、⽆刺激性、⽆免疫原性和组织相容性等特殊性能，、在医学上具有⼴阔前景。研究表明，⽤PHBHHX含量为60%（wt）的
PHBHHx/PHB 制成的⽀架具有较强的⾻细胞⽣产增殖能⼒，是⼀种很有发展前途的组织⼯程材料，⽤作药物载体、⼿术缝合线、绷带、医⽤⼿套、⽌⾎塞、⼈⼯⾷道和⼈造⾎管，⼼脏阀门，⼼⾎管修补材料等，不会引起过敏反应，⽅便患者使⽤。在纤维、造纸等其他领域也有研究应⽤。
三、结束语
随着社会的不断发展，环境污染和资源短缺将是我们⽆法避免的问题，将对⼈类的⽣存和发展构成严重的威胁。⽣物可降解塑料塑料的研究和使⽤可以避免对环境的破坏，解决能源危机，是⼀条可持续发展的绿⾊之路，将是我们未来发展的⽅向。
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