完全生物降解材料

生物降解材料是指在適當和可表明期限的自然環境條件下，能夠被微生物（如細菌、真菌和藻類等）完全分解變成低分子化合物的材料。

基本介紹

• 中文名：完全生物降解材料
• 本質：轉化低分子化合物
• 特點：環保，降解
• 套用範圍：降解細菌、真菌和藻類

完全生物降解材料的套用及發展趨勢

摘要：完全生物降解材料能被微生物完全分解，對環境有積極的作用。本文介紹了完全生物降解材料的定義、分類、降解性能的評價及其發展趨勢。

關鍵字：生物降解，測試，套用

人類在創造現代文明的同時，也帶來負面影響——白色污染。一次性餐具、一次性塑膠製品以及農用地膜等均難以再回收利用，其處理方法以焚燒和掩埋為主。焚燒會產生大量的有害氣體，污染環境；掩埋則其中的聚合物短時間內不能被微生物分解，也污染環境。殘棄的塑膠膜存在於土壤中，阻礙農作物根系的發育和對水分、養分的吸收，使土壤透氣性降低，導致農作物減產；食用殘棄的塑膠膜後，會造成腸梗阻而死亡；流失到海洋中或廢棄在海洋中的合成纖維漁網和釣線已對海洋生物造成了相當的危害，因此提倡綠色消費與加強環境保護勢在必行。面對日益枯竭的石油資源，符合潮流的生物降解材料作為高科技產品和環保產品正成為一個研發熱點。

1.1、生物降解材料的分類

生物降解材料按其生物降解過程大致可分為兩類。一類為完全生物降解材料，如天然高分子纖維素、人工合成的聚己內酯等，其分解作用主要來自：①由於微生物的迅速增長導致塑膠結構的物理性崩潰；②由於微生物的生化作用、酶催化或酸鹼催化下的各種水解；③其他各種因素造成的自由基連鎖式降解。另一類為生物崩解性材料，如澱粉和聚乙烯的摻混物，其分解作用主要由於添加劑被破壞並削弱了聚合物鏈，使聚合物分子量降解到微生物能夠消化的程度，最後分解為二氧化碳（CO2）和水。

生物崩解性材料大多採用添加澱粉和光敏劑的方法，與聚乙烯和聚苯乙烯共混生產。研究表明[2]，澱粉基生物降解塑膠袋最終將進入垃圾場，不接觸陽光，即使其中有發生物雙降解作用，所發生的降解作用也主要以生物降解為主。一定時間的試驗表明：垃圾袋無明顯的降解現象，垃圾袋沒有自然破損，甚至對袋裡的垃圾起到一定的“保鮮”作用。

對於解決環境污染，儘管含澱粉基的塑膠比一次性塑膠製品有效，但由於仍採用不能生物降解的聚乙烯或聚酯材料為原料，故除了添加的澱粉能夠降解外，剩餘的大量聚乙烯或聚酯仍會殘存而不能完全生物降解，只是分解為碎片，無法回收，進入土壤後情況更糟，對廢棄物的處理造成混亂，因而完全生物降解材料成為降解材料的研究重點。

1.2、完全生物降解材料的品種和性能

安全生物降解材料包括天然高分子纖維素、人工合成的聚己內酯、聚乙烯醇等。自然界本身有分解吸收和代謝天然高分子纖維素的自淨化能力。該材料在用過廢棄後能被自然界微生物的酶降解，降解產物能被微生物作為碳源吸收代謝。

聚己內酯是目前價格較低的全微生物分解性合成高分子，所用的聚己內酯是環狀單體——己內酯，己內酯是利用有機金屬化合物進行開環聚合而製得的脂肪族聚酯。主要性能有：熔點和玻璃化溫度較低，分別只有60℃-60℃，結晶溫度為22℃；其纖維強度和聚醯胺6纖維幾乎相當，拉伸強度可以達到70.56cN/tex以上，結節強度也在44.1cN/tex以上，而且在濕態情況下的強度損失很小；生物降解性和人造纖維相似，其產品大約在一周內即降解成不可能測試的薄片。

聚乙烯醇為可生物降解樹脂，故澱粉基聚乙烯醇塑膠可完全生物降解。乙烯和變性澱粉基共聚的產品具有良好的成型加工性、二次加工性、力學性能和優良的生物降解性能。日本合成化學工業公司開發出具有熱塑性、水溶性、生物降解性的聚乙烯醇樹脂，可熔融成型，其熔點為199℃，可在214℃-230℃下採用擠塑、吹塑、注塑等工藝成型。產品的透明性、水溶性、耐藥品性均十分優越，可用於塗布複合成型容器和包裝材料。

聚乳酸最早由日本島津公司和鐘紡公司聯合開發，以乳酸為主要原料聚合所得到的高分子聚合物，而乳酸是一種在動植物和微生物體內常見的天然化合物，極易自然分解，其纖維具有優良的性能，介於合成纖維和天然纖維之間。親水性優於聚酯纖維，比重低於聚酯纖維，有極好的手感、懸垂性和外觀，好的回彈性，優良的捲曲和捲曲保持性，有可控的收縮性，強度達62cN/tex，不受紫外光影響，可用多種染料染色，傑出的可加工性，熱粘合溫度可控制，晶體熔融溫度高達120℃-230℃，低可燃性。

乳酸單體的主要特徵是其以兩種旋光性形式存在，聚乳酸技術利用該獨特的聚合物性能，通過控制D和L異構體在聚合物鏈上的比例及其分布來控制產品的結晶熔點。

聚L-乳酸（PLLC）是以澱粉、糖蜜等生物資源為原料發酵製得L-乳酸，再用化學方法合成的高分子材料。PLLC是熱塑性材料，其可塑性與聚苯乙烯和聚酯相似，其結晶性和剛性都比較高，抗張強度優良。

生物降解材料的降解性能及其評價

對生物降解材料的降解性能的測試目前還沒有制訂統一的標準，可採用包括被美國材料試驗標準（ASTM）採納或準備採納的方法作為標準的方法，通過生物化學和微生物的實驗手段來評價的主要方法有下列幾種。

2.1、土埋法

土埋法有室外土埋法和室內土埋法兩種，其微生物源主要是土壤中的微生物群，經一定時間後，取出試樣測定其失重、機械性能變化，或用電子顯微鏡確定其被土壤中微生物侵襲的狀況。優點是能反映出自然環境條件下的生物分解性能；缺點是試驗周期長，試驗結果因土質不同而不同，重複性差。

2.2、陪替氏培養器定量法

在容器中加入試驗樣品和營養瓊脂，接種微生物進行培養，經一定時間後，分析試樣的失重情況以及某些物理變化或化學變化。優點是可快速降解，在短時間內獲得試驗結果，重複性好，定量性好；缺點是不能反映自然界中的實際情況。

2.3、酶分析法

在容器中加入緩衝液和試驗樣品，讓酶作用一定的時間後，分析試樣的失重情況，目測黴菌的生長情況，顯微鏡分析試樣物理性能或化學性能的變化。優點是試驗周期短，重複性好，定量性好；缺點是不能反映自然界中的實際情況。

2.4、放射性C14示蹤法

用C14標記聚合物產品，在微生物的作用下產生CO2，用鹼性溶液吸收，用滴定法測出CO2總量，再用放射性衰減率法測定C14的CO2量，用C14的CO2占產生的CO2的百分數表示微生物侵蝕的程度。優點是實驗結果可靠、明確。生物降解性能的測試可以檢測樣品生物降解性能的優劣。

生物降解材料的套用

生物降解材料廣泛套用於各行各業，可以部分代替通用塑膠。使用量最大的是環保材料、包裝材料以及醫用材料。

3.1、農業用途

理想的農用材料是能與其他生物降解材料協同作用轉化為提高土質的材料，生物降解材料在農業上主要用作農用地膜和農作物生長容器。

3.1.1、農用地膜

傳統的薄膜在幫助農作物生長，增加農作物產量方面發揮了重大的作用，但致使的缺點是使用後的處理十分困難。經過整個農作物生長期的風吹日曬，薄膜的強度下降並都裂為小碎片殘留在土壤中，小碎片會引起土壤板結，阻礙作物根部發育和對水分的吸收，還會隨風飄散，造成環境污染。生物降解農用地膜除具有傳統塑膠薄膜的優點外，最重要的是其使用後可以自動降解，不必收集，同時農肥和水的需求量相應減少，可以進行下一季的耕作，因而既可以減少白色污染，又可以降低生產成本。

3.1.2、農作物生長容器

農作物生長容器用於播種和移栽樹苗、花卉、蔬菜以及盆景。如果容器不是生物降解性的，在移栽之前必須除去容器才能使根系快速生長，而且裸根容易受損，很難用機械栽插，而生物降解塑膠容器在栽種時保護了根系，成活率高，用這種方法種植和移栽可以使許多植物降低成本，移栽季節延長，成活率提高。

研究發現，以聚己內酯為主要成分的農作物生長器，在土壤中會發生明顯的生物降解，6個月後失重48%，一年後失重約95%。

生物降解材料在農業方面的其他套用還有草皮種植片、堆肥用袋以及農用藥物的擯釋材料等。

3.2、包裝用途

生物降解塑膠製成的食品袋、包裝袋、垃圾袋因其生物降解性而大受青睞。生物降解包裝材料一般是將可降解的高分子聚合物加入到層壓膜中或直接與層壓材料共混成膜。食品包裝材料和容器一般要求能保證食品不腐爛、隔離氧氣且材料無毒。其中最具代表性的是聚羥基丁酸酯（PHB）與聚羥基戊酸酯（PHV）及其共聚物（商品名Biopol），其物性與聚乙烯和聚丙烯相近，且熱封性良好，Biopol用過後可生物降解或被焚燒，兩者的耗氧量僅相當於其光合作用放入大氣的氧，處理後產生的CO2即為光合作用攝入的全部CO2量，因此可認為完全進入生物循環。

生物降解塑膠還可用作一次性緩衝材料。據報導，日本幸和株式會社開發的聚乙烯醇澱粉型生物降解塑膠是性能較優良的緩衝材料，表觀密度比傳統的聚苯乙烯緩衝材料稍高。

3.3、醫用生物降解材料

醫用材料不僅需要有醫效，而且還要安全、無毒、無刺激性，與人體有良好的生物相容性。醫用生物降解材料是指完成醫療功能後，可被生物體內的溶解酶分解而吸收，生物降解塑膠已被廣泛用於手術縫合線、人造皮膚、矯形外科、體內藥物緩釋劑和吸收性縫合線等領域。

3.3.1、外科手術縫合線

理想的縫合線應在體內有良好的適應性、無毒、無刺激性，且在體內保持一定時間的強度後能被組織吸收，其縫合、打結性能以及柔性等方面都應符合操作要求。以前使用的羊腸線易產生抗原體反應，在人體內的適應性不太理想，且保存不便。研究表明，甲殼素與殼聚糖製成的醫用縫合線可被體內溶菌酶分解，生成CO2排出體外，生成糖蛋白可被組織吸收，免除了手術後拆線的麻煩，減輕了病人的痛苦。在尿、膽汁、胰液中能保持良好的強度，使用後自行吸收，不引起過敏，還能加速傷口癒合。

3.3.2、人造皮膚

人的皮膚是一種再生能力很強的組織，但大面積的燒傷則不能單靠自身皮膚或自體移植皮膚來癒合，需要人造皮膚作為治療過程中的一種暫時性的創面保護覆蓋材料來幫助癒合。

人造皮膚的作用有：防止水分與體液經創面蒸發與流失；防止感染；能促進肉芽或上皮成長，促進治癒。人造皮膚還要可以消毒和滅毒，防止細菌感染，且不能對人體有害。現在大量商業用的人造皮膚有膠原蛋白、甲殼素、聚L-亮氨酸等酶催化生物降解材料。

3.3.3、藥物緩釋劑

藥物口服後進入人體，在血液中的濃度必須達到一定的程度才可以起生理活性作用，當藥物的血藥深度高過一定的限度時，會出現副作用，而當血液中的藥物被肌體代謝排出體外後，血藥濃度下降不具備藥效。用生物降解高分子材料製作的藥物緩釋劑，可使藥物保持在人體內長期恆量釋放，提高了療效，對於癌症、心臟病、高血壓等的長期治療方便而有效。

除上述用途外，醫用生物降解材料還可用於骨折固定材料、人工腎、醫用抗粘劑等用途。

4、結語

隨著石油資源的不斷減少和人類對其環境的重視，生物降解高分子材料愈來愈受到人們的重視。完全生物降解高分子材料由於其生產成本太高，用途難以進一步擴大，而澱粉基降解塑膠在澱粉基降解後，殘餘的碎片並不能完全降解，其分解產物是否會造成二次污染尚不明確。如何解決目前的環境問題，筆者認為首先應強調廢舊塑膠的回收、分類、加工，使有限的資源循環利用；其次是研究完全生物降解性高分子材料，利用價廉易得的原料經微生物的發酵和利用轉基因植物生產生物降解性高分子材料。