可降解塑料的降解机理及影响降解过程的因素.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 23 日 作者简介：胡锦秋（1999），女，汉族，内蒙古包头人，硕士研究生，单位国能榆林化工有限公司，研究方向可降解环保塑料。-132-可降解塑料的降解机理及影响降解过程的因素 胡锦秋 国能榆林化工有限公司，陕西 榆林 719000 摘要：摘要：随着环保意识的不断提高，我国明确要求广泛采用可降解材料来替代一次性塑料制品，以减轻塑料污染对环境造成的影响。这个政策的出台不仅在环保领域引发了广泛的讨论，也催生了可降解材料行业的快速发展。可降解塑料制品作为一种环保解决方案，可以在自然环境中分解，减少了长期存在的一次性塑料制品对生态系统的危害。因此，本文针对可降解塑料的降解机理及影响降解过程的因素展开研究，从而有助于更好地应用这些材料，减轻塑料污染对环境的影响，推动环保产业的蓬勃发展。关键词：关键词：可降解材料；降解机理；影响因素 中图分类号：中图分类号：TQ116 0 引言 塑料，作为一种在近代社会中广泛使用的材料，拥有着悠久的使用历史。这种多用途的材料已经存在了上百年，极大地提高了人们的生活水平和便利性。然而，随着时间的推移，我们也开始逐渐认识到，塑料的大规模使用正在对我们的环境产生巨大的压力和挑战。传统的塑料，如聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP），以其稳定的分子结构而闻名。这种结构使它们在自然环境中难以自然降解，可以在环境中存在上千年之久。这不仅增加了塑料废弃物的积累，还使环境污染治理变得异常复杂。塑料垃圾的堆积不仅影响了美丽的自然景观，还对野生动植物造成了严重的危害。为了减轻塑料对环境的负担，科学家和工程师们努力寻找可降解塑料的替代品。可降解塑料被定义为在自然条件下最终能够完全降解为二氧化碳（CO2）、甲烷（甲烷）和水（H2O），同时产生矿化无机盐和新的生物质。这种降解过程可以更好地与自然界融合，减少了对环境的不良影响。然而，值得注意的是，并非所有声称是可降解塑料的产品都能够达到这一标准。有些塑料制品只会分解成微小的塑料微粒，而不会完全降解为无害的物质。这些微粒可能对生态系统和人类健康造成不良影响，因此它们不应被视为真正的可降解塑料。1 可降解塑料的分类及降解机理 可降解塑料是一种在环境中能够分解成较小分子或成分的塑料材料，可分为生物基可降解塑料和石化基可降解塑料，每种类型都有其独特的生产方式和特点。生物基可降解塑料是由可再生资源制成的，因此其生产过程不会增加额外的碳排放，这些塑料的原料通常可以直接从生物体获得。例如，淀粉（St）是一种常见的生物基可降解塑料原料，它通常来自玉米淀粉。纤维素也是一种生物基塑料，它是植物细胞壁的主要组成部分。另一个常见的生物基可降解塑料是聚乳酸（PLA），其乳酸原料通常通过玉米淀粉的生物发酵而来。还有聚己内酯（PCL）、聚对苯二甲酸己二酸丁二醇酯（PBAT）、聚对苯二甲酸己二酸丁二醇酯（PBSA）、聚羟基烷酸酯（PHA）等种类的生物基可降解塑料，PHA 是一种由微生物直接合成的聚合物，因此具有很高的生物降解性。石化基可降解塑料则主要来源于石油化工行业，其特点是具有可被微生物水解的酯键。这些塑料虽然来自石油，但其分子结构中包含酯键，使得它们能够在适当的环境条件下被微生物降解。其中，二氧化碳共聚物（PPC）和聚对二氧环己酮（PPDO）就属于这一类。可降解材料是一种在环境中逐渐分解并降解为无害小分子的材料，与传统塑料不同，它们在生态系统中产生更少的环境影响。这些材料的关键特征在于它们的聚合物链能够被酶降解，并最终能够被微生物吸中国科技期刊数据库 工业 A-133-收并代谢为水和二氧化碳等小分子产物。降解过程通常是一个逐步进行的过程，从材料表面向内部、从局部到整体。它的起点通常是水解，即聚合物链的切割以形成较小的分子单元。这个水解过程首先发生在非晶区域，然后逐步扩散至结晶区域，其原理如图 1 所示。这个过程是一个时间依赖性的过程，取决于材料的性质以及环境条件。水解产物随后被微生物吸收，这是生物降解过程的关键一步。微生物将这些水解产物引入其代谢途径中，将它们转化为更简单的小分子，最终产生水和二氧化碳等无害的代谢产物。对于一些聚酯类高分子材料，如 PET，降解速度较慢，因为缺乏可以快速水解其高分子链的酶。然而，对于其他可降解塑料，如聚乳酸（PLA），已经分离出多种能够降解的微生物菌株，并发现一些特定的酶，如蛋白酶 K，对 PLA 具有降解作用。这些发现为提高可降解材料的降解效率提供了希望。图 1 可降解材料典型的生物降解过程 2 影响材料降解性能的因素 从图 1 的可降解材料降解过程可知，可降解材料在当今社会中备受关注，因为它们被认为是减少塑料污染和环境影响的一种潜在解决方案。微生物降解是可降解材料降解过程中的一个至关重要的步骤。这一过程涉及微生物（微生物群落）将材料分解为较小的分子，最终将其还原为天然环境中的元素和化合物。然而，材料的降解过程受多种内在和外部条件的影响。内在因素包括材料的结构、聚合物分子量、结晶程度和亲疏水性。结构方面，材料的分子结构中的酯键在降解中扮演着重要角色，因为它们是微生物降解的首要目标。此外，分子量的变化也会影响降解速度，通常较小分子量的聚合物更容易被微生物降解。结晶程度是另一个内在因素，它通常影响材料的降解性能。一般来说，非晶区比结晶区更容易降解，因为微生物可以更轻松地攻击非晶区域的聚合物链。因此，通过调节材料的结晶程度，可以实现对降解性能的控制。此外，材料的亲疏水性也是影响降解性能的因素之一。亲水性较高的材料更容易被微生物吸附和分解，因此具有较高的降解速度。外部条件也在降解过程中发挥着关键作用。这些条件包括环境温度、光照、湿度、含氧量、pH 值、有机质含量和微生物的存在。环境温度通常是一个关键因素，因为它会影响微生物活动的速度。光照和湿度也可以加速或减缓降解过程，具体取决于材料的特性。含氧量和 pH 值也会影响微生物的活性，因此它们在降解过程中需要被监测和调节。此外，有机质含量和微生物的种类和数量都会对降解速度产生影响。可降解材料的降解机理和影响因素是研究和应用这些材料的关键方面，对于指导可降解材料制品的设计、生产、保存、使用和处理具有十分重要的意义。同时，这些研究也对相关产品的标准制定、修改和实施提供了重要的参考价值。在了解可降解材料的降解机理时，外界环境条件是一个关键因素。温度、湿度、pH 值、光照以及氧气含量都可以显著影响可降解材料的降解速率和方式。例如，高温环境通常会加速可降解材料的降解过程，而酸性或碱性环境也可能对其产生不同的影响。此外，光照和氧气含量也可以促进或抑制降解反应的进行。因此，研究外界环境条件对可降解材料的影响对于控制其降解速度至关重要。此外，有机质含量和微生物种类也在可降解材料的降解中起着重要作用。土壤中的有机质含量可以提供额外的碳源，促进微生物的生长和活性，从而影响材料的降解速率。不同类型的微生物对于不同的可降解材料具有不同的降解能力，因此了解微生物种类对降解的影响也至关重要。另一个重要因素是聚合物结构。不同种类的可降解塑料具有不同的分子结构，这会影响其降解的方式和速度。一些可降解塑料在自然环境中容易降解，而另一些可能需要更长的时间。因此，研究聚合物结构对于选择合适的可降解材料至关重要。3 可降解塑料应用领域 3.1 农业领域 农膜在农业领域扮演着关键的角色，它们不仅有助于改善农作物的生长环境，还可以提高农产品的产量和质量。然而，长期以来，传统的聚乙烯薄膜在农田使用后难以降解，导致了严重的白色污染问题。这种白色污染不仅影响了土壤质量，还对生态环境造成中国科技期刊数据库 工业 A-134-了危害，因此急需采取措施来应对这一问题。为了解决白色污染问题，可降解农膜成为了一个备受关注的解决方案。这些农膜采用了可降解聚酯高分子材料，其中巴斯夫公司的研究成果尤为引人注目。他们开发的可降解聚酯高分子材料具有出色的降解性能，通常在 3 个月内就能被微生物完全降解。这一特性使得农膜用后不再导致土地污染，降低了农作物损失，同时也减轻了对环境的负担。农膜的可降解性不仅有助于解决白色污染问题，还将塑料可降解技术推广到了农业领域，展现出了巨大的潜力。为了促进可降解农膜的使用，一些地区已经制定了农用薄膜管理办法，鼓励农民和生产厂家采用全生物降解农膜，这一政策措施有望进一步推动可降解农膜的发展和应用。为了提高可降解农膜的性能和降低成本，技术升级也是一个重要的方向。研究机构和企业正在积极探索新的材料和生产技术，以改善农膜的功能性和性价比，从而更好地满足农业生产的需求。在技术升级方面，中科院与博大东方新型化工公司的合作尤为引人注目。他们共同建设了生物降解农膜专用料的生产线，这一合作为解决白色污染问题提供了一条有效途径，也为可降解农膜的大规模生产奠定了基础。3.2 包装行业领域 在包装行业领域，塑料包装材料的发展已经成为一个备受关注的话题，必须综合考虑质量和数量的需求，以满足市场的不断增长和消费者的要求。与此同时，包装行业也需要重点关注如何在生产和使用过程中节约资源，实现可持续发展的目标。一种解决方案是将易回收利用的原则融入包装设计中。可回收材料的使用可以减少资源浪费，同时也降低了环境负担。这一举措有助于降低包装材料的消耗，并为包装行业的可持续性做出贡献。不仅如此，可回收材料的广泛使用还有助于建立一个更加可持续的材料回收体系，从而减少废弃物的堆积。此外，环境降解的塑料也是一个备受瞩目的选项，这种塑料可以在自然环境中分解，减少了对于垃圾填埋场的需求，有助于降低污染问题。然而，需要注意的是，降解塑料的生产成本较高，这可能会影响其在市场上的竞争力。因此，政府和企业可以考虑制定政策和提供激励措施，以支持降解塑料的发展和推广。在全球范围内，许多发达国家已经立法支持绿色包材的使用。这些法规要求企业采用可持续的包装材料，以减少对环境的不良影响。中国政府和企业也采取了一系列相关举措，如菜鸟绿色联盟的绿动计划和京东的清流计划，旨在推动绿色包装的发展。此外，外卖行业也在积极探讨如何减少一次性餐具的使用，以减少对环境的污染问题。绿色外卖行业公约和绿色十条是一些积极的举措，旨在引导外卖企业采取更环保的包装和运输方式。3.3 海洋环境领域 海洋环境对于生物降解材料的性能表现产生了显著影响。这一影响的核心因素之一是材料的水解性能，即其在水中降解的能力。然而，在深入探讨之前，我们需要认识到海洋环境的复杂性。海洋环境包括了海洋表面、水下和海底，而不同的位置和条件对生物降解材料的降解表现产生了不同的结果。首先，海洋环境中只有那些浮在水面上的光降解塑料才能够相对迅速地被降解。这是因为阳光中的紫外线能够诱发塑料表面的降解，但这种过程仅限于表层。这也部分解释了为什么大量沉入海底的塑料垃圾无法被降解。深海环境通常缺乏阳光，因此不具备引发光降解的条件此外，海水的特性也对生物降解产生了挑战。海水的低温、高盐度、高压和强流动性使其不太容易形成适合微生物降解的环境。微生物是生物降解的关键因素之一，但它们在这样极端的条件下可能无法有效降解塑料。在生物降解材料的开发中，水解性能是一个至关重要的方面。特别是以小麦、玉米等植物为原料的生物基可降解塑料，其水解性能需要得到精心设计和改进，以确保其在海洋环境中能够有效降解。尽管生物降解材料在理论上对保护海洋环境具有巨大潜力，但目前的挑战之一是成本问题。生产以小麦、玉米等农产品为原料的生物基可降解塑料通常需要高成本，并且可能与有限的资源竞争，这对可持续性构成了挑战。一些公司，如三菱化学株式会社，已经开始与包装材料制造商合作，研发可被海水中微生物降解的塑料袋。然而，这些创新虽然具有潜力，但由于高昂的价格，限制了它们在市场上的推广与应用。中国科技期刊数据库 工业 A-135-4 结语 综上所述，可降解塑料的结构对其降解性能有重要影响，聚合物分子量、结晶程度以及亲疏水性都会影响降解速率和方式。分子量较小的聚合物通常更容易降解，而较高的结晶程度和亲水性通常会降低降解速率。此外，环境温度、光照、湿度、含氧量、pH 值以及其他有机质含量也会显著影响降解过程的速度和方式。在可降解材料制品的设计和生产阶段，了解这些因素可以帮助选择合适的材料和制造工艺，以确保产品在实际使用中具有良好的降解性能。此外，产品的保存和使用条件也应考虑环境因素，以充分利用可降解塑料的降解潜力。参考文献 1刁晓倩,翁云宣,宋鑫宇,等.国内外生物降解塑料产业发展现状J.中国塑料,2020.034(5):123-135.2高哈尔努拉里.可降解塑料的发展现状及其应用研究进展J.合成材料老化与应用,2022,51(04):127-129.3张玉萍,肖光洋,王丹等.可降解塑料的降解机理及影响降解过程的因素J.绿色包装,2021(11):17-21.4尹基宇,王文勇,李涛.可降解塑料生物降解特性研究J.安徽农业科学,2009,37(14):6592-6593.5戴长华,刘然克.塑料的降解机理及可降解塑料的开发J.现代塑料加工应用,1999(3):40-43.