未来塑料利用展望

第五节　未来塑料利用展望

塑料的发明是20世纪材料科学的重大进展，是人类改造大自然所创造的辉煌成就之一。虽然白色公害已成为人们的沉重负担，但毕竟只是前进征途中的暂时困难。随着人们对白色公害认识的提高，从20世纪70年代就开始研制在自然条件下没有污染而又保持原有塑料的优点的新材料。在这种背景下，可降解塑料应运而生。美国对可降解塑料的需要量正以每年75%的速度增长。日本已将降解塑料与金属材料、无机材料和功能有机材料并列为第四种新材料，可见对它的重视。因此，它被誉为未来的塑料。目前降解方式主要有生物降解和光降解两种。

一、生物降解塑料

生物降解塑料是指在自然条件下能被生物侵蚀或代谢而分解的塑料。它可分为生物物理作用降解和生物化学作用降解两种过程，当然这两者实际上不能截然分开而是相互穿插进行的。当微生物侵蚀塑料制品后，生物细胞的继续生长使聚合物组分水解、电离或质子化，从而使塑料发生膨胀、裂开等机械性破坏，这就是生物物理降解；真菌或细胞分泌的酶使非水溶性聚合物分解或氧化降解成水溶性碎片，生成新的小分子化合物直至最终分解成二氧化碳和水，这就是生物化学降解。20世纪70年代初，许多国家就着手研制生物降解塑料，迄今主要途径有以下几种：第一种是常规塑料与天然高聚物混合，特别是淀粉系生物降解塑料比较盛行，已出现专门生产淀粉基母料的厂家；第二种是直接利用天然高分子，如以用豌豆制成的改性淀粉与天然物系添加剂制成生物降解塑料，可注塑、挤出成型，透明而柔软，用过后埋入土中，数日后即可分解；还有微生物合成法、酶促合成法等，均已取得不少成就。

在微生物合成法方面，首先成功的是英国ICI公司。20世纪70年代他们应用该技术通过微生物培养，制得一种新型聚酯化合物，即聚－3－羟基丁酸酯（P－3HB），它是一种热塑性树脂，有良好的生物分解性和生物适应性。虽然P－3HB本来就是一种微生物能量贮存物质，积存于多种微生物体内，但因它耐冲击性差且价高而无法工业化。后经改进，1980年前后，ICI公司又用丙酸和异丁酸为碳源，经微生物合成，得到同时含有3－羟基异戊酸（3－HV）和3－HB聚酯共聚物的聚合体，它成为一种有良好生物降解性且机械性能优异的热塑性材料。这种新产品广泛用于农业、渔业并作为医用缝合线和骨折固定剂而备受青睐。此后又开发出4－羟基丁酸酯（4－HB）与3－HB的共聚物以及3HB－4HB－3HV的三元共聚物，它们是以戊酸和4－羟基丁酸为碳源，由微生物参与而合成的。

由于开发传统的可降解塑料有不少困难，诸如反应条件苛刻、副产品多、成本高，有些产品的生物相容性欠佳等，人们向生物工程高新技术领域进一步探索，在近年来提出了具有某些独特优点的可生物降解的高聚物材料的合成方法——酶促合成法。酶是存在于生物体内的特殊催化剂，可催化特定的生化反应。将酶用于合成时，它在有机介质中表现出与其在水溶液中不同的新性质，并拥有催化一些特殊反应的能力。酶促合成法具有不同于化学法和微生物法的新特点：酶对底物有高度专一性，类似于一把钥匙开一把锁，使聚合过程无副产物生成；催化反应条件温和，一般常温常压下即可进行；产物容易分离，酶可回收再用，从而降低了成本；利用酶的立体专一性特点，还能合成一些用传统方法难以得到的产品，如具有光学活性的可生物降解高聚物等。

二、光降解塑料

光降解塑料就是聚合物吸收光后发生光引发键能减弱，长链分裂成较低分子量的碎片，碎片在空气作用下氧化，产生自由基断链反应进一步降解成小分子化合物，最后转化成二氧化碳和水。目前主要是在聚乙烯链节上引入羰基或在塑料中加入光降解添加剂。办法是合成时可利用对紫外线敏感的单体与其他单体共聚；在聚合物链上引入光敏基团；或在塑料加工过程中如溶解或熔融时添加适当光敏剂，使之能在紫外光照射下解聚。常用的光敏剂有氧化锌与哌啶、苯二甲酸酯与环氧系增塑剂、铁盐与聚氯乙烯类，也可以是镍、钼、钴等金属的盐。

我们还可以通过特殊的合成法生产各种不同品种的降解塑料，例如分子量为3000的聚己二酸乙二醇酯、新型的聚酯酰胺、聚酯烯烃等。近年来日本科学家将N－苯甲基吡啶基团导入聚甲基丙烯酸甲酯，制得的生物降解塑料具有很好的机械性能，可认为是这方面的突破性进展。

在新的21世纪，人们不断探索各种适应新时代的塑料，分解性的品种无疑是供选用的对象。但它们果真完美无缺吗？它们被丢弃后虽能自然分解，但产生的气体、单体和小分子碎片是否会对环境造成二次污染，是不能不注意的问题。为了明天、为了未来，我们需要研制既满足当代需要又不威胁子孙后代的新塑料。