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对可降解塑料聚乳酸的研究

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摘要:白色污染日益严重的当今社会,研究可快速降解的环境友好型塑料已经迫在眉睫,本文就针对环境友好型的可降解生物高分子材料做了一总体介绍,简要概括了其降解机理及影响塑料降解的因素,重点介绍了聚乳酸的降解性能及共混降解改性的研究,最后对可降解塑料的应用现状作一介绍,对其研究方向作一展望。

关键词:白色污染;聚乳酸;降解

前言

隨着塑料的广泛应用和产量的持续增大。“白色污染”问题己变得越来越严重,成为当今世界最严重污染源之一,己受到各国的重视,并且制定了相关的法律政策来处理。现在各国除了研究如何回收废弃塑料外,更多的精力是研究可降解的高分子材料,从而在根本上解决塑料的“白色污染”问题。主要原因是高分子材料的回收利用,从理论上讲,可以解决环境污染,也可以解决资源短缺的问题,但在实施过程中,往往受到高分子材料本身性质、技术及成本等的限制;而研究开发可降解的高分子材料则成为20世纪70年代以来重要课题,受到世界范围内的关注仁。

1可降解性高分子材料的降解机理

高分子材料的生物降解是指在生物(主要是指真菌、细菌等)作用下,聚合物发生降解、同化的过程、生物降解主要取决于聚合物分子的大小和结构、微生物的种类以及环境因素。聚合物的降解机理十分复杂,一般认为材料在体内的降解和吸收是受生物环境作用的复杂过程,包括物理、化学和生化因素。物理因素主要是外应力,化学因素主要有水解、氧化及酸碱作用,生化因素主要是酶和微生物。由于植入体内的材料主要接触组织和体液,因此水解(包括酸碱作用和自催化作用)和酶解是最主要的降解机制。

2聚乳酸的降解性能

与大部分热塑性聚合物相比,PLA具有更好的降解性能。PLA的降解首先通过主链上的降解性能。PLA的降解首先通过主链上的C-O水解,然后在酶的作用下进一步降解,最终生成无害的水和二氧化碳。由于具有降解性能,故人们担心其使用寿命。实际上,PLA的降解速度相对比较缓和;更为重要的是,PLA的降解总是在先行水解之后才可能酶解。依照聚合物的初始相对分子品质、形态、结晶度等,PLA降解的速度可从几星期到几个月甚至是1~2年。但如果与微生物和复合有机废料混合埋入地下,它的降解速度会加快。因此它是一种理想的生物降解材料,特别适宜于2~3年的短期用途。影响PLA降解速度的因素主要有结晶度、玻璃化转变温度、相对分子质量和介质的pH值等。水先渗入聚乳酸的无定形区,导致酷键断裂,当大部分无定形区己降解时,才由晶区边缘向晶区中心逐步降解。晶区降解速度很慢,因此结晶度大小对降解速度有很大的影响。玻璃化转变温度低于水解温度则水解加快。相对分子质量越小及其分布越宽的PLA降解速度越快,这是因为相对分子质量越大,聚合物的结构越紧密,内部的酷键越不容易断裂,并且相对分子质量越大,降解所得的链段越长,易溶于水中,产生的H+越少,使pH值下降缓慢。酸或碱都能催化PLA水解,介的pH值也是影响PLA降解速率的重要因素。

3PLA共混改性的研究进展

通过与韧性聚合物共混,也是常用的改进聚乳酸柔性的途径,目前人们己经研究的很多共混体系,如乙烯一醋酸乙烯共聚物(poly(ethylene-vinylacetate))、聚4-乙烯基苯酚(poly(4-vinylphenol)、聚ε-己内酯、聚3羟基丁酸酯(poly(3-hydroxybutyrate)等。

沈一丁等[4]将热塑性淀粉(TPS)与聚乙二醇(PEG)、聚乳酸(PLA)共混后,采用溶剂蒸发法制备出完全生物降解的聚乙二醇改性淀粉/聚乳酸薄膜(SPLA)。聚乙二醇增塑SPLA薄膜,有效的降低了玻璃化转变温度和热塑性淀粉和PLA的相容性,体系的耐水性、强度均随着PLA含量的增加而增加,不过这种薄膜的强度和柔性并没有得到改善。

龚华俊等[5]采用超声辅助原位湿法合成多壁碳纳米管/轻基磷灰石纳米复合材料(MWNTs/HA),并通过溶液浇铸法制备了PLA/MWNTs/HA复合材料薄膜,静态力学和动态力学性能分析表明,当MWNTs/HA为0.05~0.10份时,对复合薄膜有一定的增韧效果,复合膜的玻璃化转变温度随着MWNTs旧A用量增加呈上升趋势。

PCL除可以和PLA共聚形成共聚物改善柔性外,还可以与PLA共混来改善PLA基体的脆性。直接共混PLA和PCL,两种组分是不相容的,两者混合时必须添加一定的相容剂。Wang等在PLL刀PcL体系中,以亚磷酸三苯酯(TPPi)为催化剂,在熔融状态下进行混合。结果表明,在共混过程中发生酯交换反应,生成界面相容剂,促进组分均匀分布,提高体系的机械性能,并大大改善了体系的柔性,当添加TPPi2%时,PLLA/pCL(80/20)断裂伸长率从28%提高到了128%。

顾书英等[11]采用熔融挤出法制备聚乳酸/对苯二甲酸-己二酸-

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