高分子材料的發(fā)展前景

自20世紀20年代德國著名科學家斯托丁格開創(chuàng)這一學科以來，高分子科學和技術(shù)的發(fā)展極為迅猛，如今已形成非常龐大的高分子工業(yè)。它具有較高的強度，良好的塑性，較強的耐腐蝕性能，很好的絕緣性能，以及重量輕等優(yōu)良性能，在是工程上的發(fā)展最快的一類新型結(jié)構(gòu)材料。工程上通常根據(jù)機械性能和使用狀態(tài)將其分三大類：塑料、橡膠以及合成纖維。

高分子材料是全球應用最廣的一種材料，用它加工生產(chǎn)出來的產(chǎn)品具有輕便.性能優(yōu)異等優(yōu)點。它已橫跨于各個行業(yè)，成為我們生活中隨處可見的一員。它是在生活中應用最多最廣的最普遍的生活材料。

高分子合成材料發(fā)展至今，已構(gòu)成了一個完整的工業(yè)體系。其品種多、技術(shù)成熟、生產(chǎn)效率高、成本低、用途廣泛，是人類生產(chǎn)、生活必不可少的重要材料。 隨著現(xiàn)代科學與技術(shù)的發(fā)展，對高分子材料不斷提出更高、更新的要求。

一方面對通用高分子進行改性，提高綜合性能，另一方面又要開發(fā)出新品種、新材料，使高分子材料不斷向著高技術(shù)、高性能、高效益的新型、特種、功能性高分子領(lǐng)域發(fā)展。1.通用高分子生產(chǎn)品種。2.工程塑料和特種橡膠3.功能高分子材料4.精細化工高分子材料

高分子合成材料發(fā)展至今，已構(gòu)成了一個完整的工業(yè)體系。其品種多、技術(shù)成熟、生產(chǎn)效率高、成本低、用途廣泛，是人類生產(chǎn)、生活必不可少的重要材料。 隨著現(xiàn)代科學與技術(shù)的發(fā)展，對高分子材料不斷提出更高、更新的要求。

一方面對通用高分子進行改性，提高綜合性能，另一方面又要開發(fā)出新品種、新材料，使高分子材料不斷向著高技術(shù)、高性能、高效益的新型、特種、功能性高分子領(lǐng)域發(fā)展。

1.通用高分子生產(chǎn)品種

2.工程塑料和特種橡膠

3.功能高分子材料

4.精細化工高分子材料

隨著國防、航空航天、電子電氣工程、信息工程、生物工程、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、紡織、日用化工等高新技術(shù)對材料應用方面的要求，高分子合成材料的開發(fā)研制已成為人們關(guān)注的熱點，它的發(fā)展將帶動相關(guān)工業(yè)，如化工機械、有機化工、日用化工、電氣電子工業(yè)、交通運輸、化工建材等行業(yè)的發(fā)展。高分子材料在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和人們的日常生活中占有重要的地位, 對科技現(xiàn)代化也有突出作用, 因此有人把高分子材料出現(xiàn)的二十世紀中期稱為人類開始進入高分子時代。近年來全世界各種高聚物的總生產(chǎn)量超過六千四百萬噸, 已接近鋼的生產(chǎn)規(guī)模,由于高分子材料比重小, 所以按體積計, 它已遠遠超過各種金屬的總量。高分子材料的發(fā)展歷史不足百年, 按體積計, 其世界年產(chǎn)量目前已經(jīng)超過金屬類, 成為最重要的材料品種之一。高分子材料和復合材料在海、陸、空運輸工具、商務和工業(yè)裝置、醫(yī)用材料、科學研究用特種裝置、航天設(shè)備和儀器、體育運動和休閑娛樂用品方面都有出色表現(xiàn)。尤其需要指出的是, 高分子材料在開發(fā)新型替代能源方面, 在節(jié)約資源、能源和保護生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮著不可替代的作用。“材料是技術(shù)進步的核心內(nèi)容”。歷史經(jīng)驗一再證明, 只有新材料的出現(xiàn), 才能使一些有價值的想法變成現(xiàn)實。人類社會的發(fā)展史, 材料之間的競爭和替代是其中的重要組成部分。不同材料對于現(xiàn)存市場和新市場的競爭還必然持續(xù)下去。展望未來, 在新世紀里新技術(shù)將更加迅猛發(fā)展,與此同時, 作為技術(shù)革命物質(zhì)基礎(chǔ)的, 以合成高分子為代表的新材料的研制和開發(fā), 也將越來越起著重要作用。

當前，材料技術(shù)的發(fā)展趨勢有以下幾種：

第一，從均質(zhì)材料向復合材料發(fā)展。以前人們只使用金屬材料、高分子材料等均質(zhì)材料，現(xiàn)在開始越來越多地使用諸如把金屬材料和高分子材料結(jié)合在一起的復合材料。

第二，由結(jié)構(gòu)材料向功能材料、多功能材料并重的方向發(fā)展。以前講材料，實際上都是指結(jié)構(gòu)材料。但是隨著高技術(shù)的發(fā)展，其他高技術(shù)要求材料技術(shù)為它們提供更多更好的功能材料，而材料技術(shù)也越來越有能力滿足這一要求。所以現(xiàn)在各種功能材料越來越多，終會有一天功能材料將同結(jié)構(gòu)材料在材料領(lǐng)域平分秋色。 第三，材料結(jié)構(gòu)的尺度向越來越小的方向發(fā)展。如以前組成材料的顆粒，尺寸都在微米方向發(fā)展的材料。由于顆粒極度細化，使有些性能發(fā)生了截然不同的變化。如：以前給人以極脆印象的陶瓷，居然可以用來制造發(fā)動機零件。

第四，由被動性材料向具有主動性的智能材料方向發(fā)展。過去的材料不會對外界環(huán)境的作用作出反應，完全是被動的。新的智能材料能夠感知外界條件變化、進行判斷并主動作出反應

生物可降解高分子材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景2017-04-07 08:55 | #2樓

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1.前言

隨著大量高分子材料在各個領(lǐng)域的使用,廢棄高分子材料對環(huán)境的污染有著日益加劇的趨勢。塑料是應用最廣泛的高分子材料,按體積計算已居世界首位,由于其難以降解,隨著用量的與日俱增,廢塑料所造成的白色污染已成為世界性的公害。目前,處理高分子材料的一些老套方法如焚燒、掩埋、熔融共混擠出法、回收利用等都存在缺陷并有一定的局限性,給環(huán)境帶來嚴重的負荷,因此開發(fā)環(huán)境可接受的降解性高分子材料是解決環(huán)境污染的重要途徑。生物降解高分子是指通過自然界或添加的微生物的化學作用,將高分子物質(zhì)分解成小分子化合物,再進入自然的循環(huán)過程,這種方法簡潔有效,而且對環(huán)境的保護有積極的作用。同時,隨著高新技術(shù)的發(fā)展,生物降解高分子材料也滿足了醫(yī)學和農(nóng)業(yè)及其他方面的需求,成為近年來研究的熱點。

2．高分子生物降解機理

理想的生物降解高分子材料是一種具有優(yōu)良的使用性能、廢棄后可被環(huán)境微生物完 全分解、最終被無機化而成為自然界中碳元素循環(huán)的一個組成部分的高分子材料。跟據(jù)高分子的性質(zhì)和所處的環(huán)境條件，高分子生物降解有兩種不同的機理。第一種是生物或非生物水解而后發(fā)生生物同化吸收，稱為水解-生物降解。這是雜鏈高分子如纖維素、淀粉及脂肪族聚酯生物降解的主要過程。通常過氧化反應對這類高分子降解發(fā)揮輔助作用，光氧化反應可加速水解-生物降解。水解-生物降解高分子適用于生物醫(yī)用材料、化妝品及個人衛(wèi)生用品的處理而不適用于農(nóng)用薄膜或包裝薄膜的降解。第二種機理是過氧化反應而后伴隨小分子產(chǎn)物的生物同化吸收，稱為氧化-生物降解，這種機理尤其適用于碳鏈高分子。非生物過氧化反應及隨后的生物降解反應可通過所用的合適抗氧劑得到嚴格控制。

3.影響生物降解的因素

1)單體的組成、結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)，即化學鍵的穩(wěn)定性；

2)物理性質(zhì)，如親水性、結(jié)晶度，可以通過單體的化學組成和加工條件控制；

3)聚合物的分子量；

4)聚合物器件的幾何因素，如大小、形狀、表面積；

5)添加劑及環(huán)境因素，如PH條件、離子強度。

聚合物器件或藥物遞送系統(tǒng)的生物降解通常經(jīng)歷四個步驟：水合、力學強度損失、形態(tài)變化、質(zhì)量損失。其中水合是最為關(guān)鍵的一步，由材料的親水、疏水特性及結(jié)晶度大小決定。 顯然，親水性高分子容易發(fā)生水合。水合后，高分子鏈可能成為水溶性，或者水分子滲透到高分子骨架。高分子材料的力學強度降低的原因是由于主鏈的斷裂、交聯(lián)鍵或高分子側(cè)

鏈被化學或酶水解。隨著高分子力學強度的降低，進

一步發(fā)生水合和材料的表面變形，高分子鏈繼續(xù)降解，最終變成水溶性分子而發(fā)生質(zhì)量損失。

4.生物降解高分子材料研究現(xiàn)狀

以下按不同分類介紹目前研究的幾種主要的可生物降解的高分子的研究現(xiàn)狀。

4.1天然生物可降解高分子

自然界中存在的纖維素、甲殼素和木質(zhì)素等均屬可降解天然高分子，這些高分子可 被微生物完全降解，但因纖維素等存在物理性能上的不足，熱及力學性能差，由其單獨制成的薄膜的耐水性、強度均達不到工程材料的性能要求，另一方面，作為工程材料使用的高分子通常又沒有生物降解性。因此，通過兩種高分子的共混、嵌段或接枝共聚可以得到能滿足兩者要求的材料。如以纖維素和脫乙�；鶜ざ嗵沁M行復合，制得的生物可降解塑料。

4.1.1多糖基復合高分子

高分子量的碳水化合物通常指多糖，自然資源豐富的淀粉、纖維素等多糖都可用作生產(chǎn)生物降解高分子的原料。

4.1.2淀粉基系統(tǒng)

淀粉資源豐富，價格低廉，易為微生物侵蝕，是一種理想的生物降解材料，但其熱、力學性能不夠優(yōu)良，從而限制了它們的使用，但己有許多研究淀粉與合成高分子的共混或共聚獲得生物降解性材料的的文獻報道。

Griffin對80%PE， 15%的淀粉共聚物成功地進行吹塑膜，加拿大的St. Lanwren公司取得該項技術(shù)專利并提供名為Ecostar的PE母料，可用作農(nóng)用地膜或作包裝材料淀粉與PVC的共混研究也比較深入，表明加入淀粉后PVC的強度并不下降，但隨淀粉量的增加，延伸率明顯降低。

4.1.3 纖維素基復合高分子

纖維素也是資源豐富的天然高分子，倪秀元等研究了羥乙基纖維素與MMA和丙烯 酸進行超聲波共聚的情況，結(jié)果表明產(chǎn)物可被脂肪酶及一些微生物通過水解反應而破壞。再生纖維素適合用于纖維與薄膜的制造，日本四國工業(yè)試驗所開發(fā)了以乙酰多糖和纖維素為主要成分的高分子材料，試制的生物降解薄膜、無紡布、發(fā)泡塑料等已接近實用化。纖維素酯、纖維素醚、纖維素縮醛化合物等常用的化學改性纖維，其生物降解性與羥基反應的程度有關(guān)。因此加大纖維素羥基的反應程度也是纖維素改性使用的一個方向。

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4.1.4 木質(zhì)素

木質(zhì)素與纖維素一起共生于植物中，它是酚類化合物，通常是不能被生物降解的，但通過預處理可使其被纖維素酶酶解。利用木質(zhì)素上的酚基與不同試劑反應可得到乙烯基的接枝共聚物，Phillips等討論了它的生物降解性，并取得了令人鼓舞的成果。

4.1.5 蛋白質(zhì)復合高分子

蛋白質(zhì)的骨架肽鍵對微生物降解十分敏感，通過功能基團的去除或接枝共聚可改善其熱學及力學性能，但同時也降低了其生物降解性能。目前研究最多的是結(jié)構(gòu)蛋白骨膠原的水解產(chǎn)物明膠。圍繞蛋白質(zhì)基的生物降解材料的研究還處于起始階段，距離商品化還有相當距離。

4.2合成生物可降解高分子材料

4.2.1親水性高分子

聚合物材料能保持一定的濕度是其可生物降解的首要的和必要的條件，因此水溶性及親水性聚合物的開發(fā)受到普遍關(guān)注。已有專利報道用親水性的可生物降解高分子作為植物種子的保護涂層。

這些聚合物的生物降解程度隨制備方法及所用原料的不同而不同。例如，由馬來酸酐、乙二醇、丙烯酸及對甲苯磺酸制得的親水聚合物生物降解度為61％，而由乙二醇、二丙烯酸酯、巰基乙醇及偶氮二氧基丙烷合成的高分子生物降解度可達89％。賴氨酸、苯乙烯嵌

段共聚制得的水溶性可生物降解材料也有報道。PS是應用最為廣泛的塑料之一，而且在包裝行業(yè)的用量非常大。因此提高它的生物降解性倍受關(guān)注。系統(tǒng)研究表明，部分氧化或水解的PS可以被青霉菌和摩拉克菌分解斷鏈，這是由于形成羥基和羰基等親水性基團的緣故。

4.2.2聚氨酯、聚酯、聚酰胺、聚酸酐類高分子

這些合成高分子的主鏈結(jié)構(gòu)與天然高分子結(jié)構(gòu)部分相似，因此它們有的可以被微生物降解。例如，聚氨酯的主鏈與蛋白質(zhì)中的肽鍵類似，脂肪族的聚氨酯具有較好的生物降解性能。聚酯中的聚己內(nèi)酯(PCL)的生物降解性能研究比較深入，其中生物降解性隨分子量增大而降低。另外，含苯基丙氨酸的低分子量聚酯型聚脲在pH為7. 8時可以被胰凝蛋白酶水解，但如果用甘氨酸代替苯基丙氨酸，則該聚脲不能被其水解，生物降解困難。在酸性和堿性介質(zhì)中，β-取代的聚酯的生物降解特性也已有研究，結(jié)果表明除全同立構(gòu)聚酯外，所有的這類聚醋均可為微生物所攻擊。人們正努力合成可生物降解的尼龍材料，由氨基酸合成的PA不僅可生物降解，而且生物相容性也比較好。

4.2.3微生物產(chǎn)生型高分子

多種微生物能制造并在體內(nèi)儲藏聚羥基烷羧酸酯。世界各國均在廣泛研究這種微生物產(chǎn)生型的熱塑性樹脂，特別是聚羥基丁酸酯(PHB)作為來源于生物的熱塑性塑料久己為人們重視，但它存在結(jié)晶性過高、機械性能差、易熱分解、難加工等缺點。最近研究表明，通過熱處理控制PHB的結(jié)晶與非結(jié)晶結(jié)構(gòu)，可制得性能優(yōu)良的PHB。除了PHB這一簡單微生物合成聚酷外，共聚聚酯的微生物合成也有大量報道。利用真養(yǎng)產(chǎn)堿菌(Aeutrophus)可生產(chǎn)HB與(R )-3-羥基戊酸酯(3HV ) 、HB與4-羥基丁酸酯(4HB)，HB與3—羥基丙酸酯(3HP)的共聚物。其中英國ICI公司開發(fā)的PHB-PHV共聚物已以“Biopol”商品名出售。

5．生物降解高分子材料的應用前景

5. 1 在包裝、餐飲業(yè)的應用

塑料材料的大量應用，在給人們生活帶來許多方便的同時，也造成了許多困擾，尤其是給環(huán)境帶來的一些影響，而從根本上解決這一難題的途徑就是生產(chǎn)可降解塑料等。由此可見，在21世紀生物降解高分子材料將會取得較好的反戰(zhàn)，成為高分子工業(yè)中不可或缺的一個組成部分。據(jù)有關(guān)部門預測，我國食品包裝如餐飲業(yè)、超市、蔬菜基地等，工業(yè)品包裝業(yè)如家電、儀器儀表、 醫(yī)療衛(wèi)生等，在21世紀塑料包裝高分子材料需求量將達到500萬噸，按其中30 %難以收集計算，則廢棄物將達150萬噸。如果將這些不可降解塑料由可降解高分子材料代替，可為生物降解高分子材料在包裝領(lǐng)域開辟很大的市場。另外，龐大的一次性餐飲具的市場需求也給生物降解高分子材料帶來巨大的市場空間，如在2000年我國餐盒的使用量約150億只，方便面碗也在150億只以上，還有一次性杯、碗、盤、碟等，特別是國家經(jīng)貿(mào)委下達禁止生產(chǎn)、銷售、使用一次性發(fā)泡塑料餐具后，降解高分子材料的市場空間顯得。優(yōu)為廣闊。過去使用較多的就是現(xiàn)有包裝材料（聚乙烯、聚丙烯）中加入淀粉等生物降解劑使其容易降解�，F(xiàn)階段國家強制使用的塑料袋一次性餐具就是依靠改性過的的塑料加工而成。其應用前景十分廣闊

5.2 在農(nóng)業(yè)中的應用

生物降解高分子材料的第二大應用領(lǐng)域就是在農(nóng)業(yè)上。普通農(nóng)用薄膜難回收，在自然環(huán)境中不易降解，不僅污染環(huán)境，而且殘棄的塑料膜在土壤中逐步積累，會使土壤透氣性降低，阻礙農(nóng)作物根系發(fā)育和對水分、養(yǎng)分的吸收，還會導致農(nóng)作物減產(chǎn)。

生物降解高分子材料可在適當?shù)臈l件下經(jīng)有機降解過程成為混合肥料，或與有機廢物混合堆肥，特別是用甲殼素/ 殼聚糖制備的生物降解高分子材料或含有甲殼素/ 殼聚糖的生物降解高分子材料，其降解產(chǎn)物不但有利于植物生長，還可改良土壤環(huán)境。

5. 3 在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應用

生物降解高分子材料在醫(yī)藥領(lǐng)域上的一重要應用是藥物控制釋放。在藥物控制釋放體系中，藥物載體一般是由高分子材料來充當?shù)�，它們可分別用在不同的控制釋放體系中，如凝膠控制釋放、微球和微膠囊控制釋放、體內(nèi)埋置控制釋放、靶向控制釋放等等。由于這些聚合物具有被人體吸收代謝的功能，與不可降解的藥物載體聚合物相比，具有緩釋速率對藥物性質(zhì)的依賴性小、更適應不穩(wěn)定藥物的釋放要求及釋放速率更為穩(wěn)定等優(yōu)點。

同時在醫(yī)藥領(lǐng)域的應用還體現(xiàn)在一些人造的器官皮膚等材料，這些都節(jié)省了患者的很多費用，功能和人體自身的器官都能夠比較好的融合運作在一起。

現(xiàn)就人造皮膚進行具體的說明，人造皮膚的主要組成是甲殼素，甲殼素是從海洋甲殼類動物中提取的動物性纖維，是純天然活性物質(zhì)，無毒副作用，對人體有良好的親和性，可螯合重金屬，被廣泛應用于各行業(yè)。利用甲殼胺的天然活性，用它作原料制成的人工皮膚，在臨床使用中反應很好。

5. 4 其它方面的應用

生物降解高分子材料除了在包裝、餐飲業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥領(lǐng)域的應用外，在一次性日用品、漁網(wǎng)具、尿布、衛(wèi)生巾、化妝品、手套、鞋套、頭套、桌布、園藝等多方面都存在著潛在的市場，有很好的發(fā)展前景。

從環(huán)境保護、合理利用資源、合成新型材料等角度都說明可生物降解高分子材料具有良好的發(fā)展前景，因此已成為化學家、生物學家和環(huán)境學家共同感興趣的一個研究領(lǐng)域�？缮�物降解高分子的研究開發(fā)方興未艾，任重道遠。

6.結(jié)論及展望

雖然生物降解高分子的研究已有相當長的歷史，并正處在轟轟烈烈的進行之中，但距大規(guī)模使用還有相當長的一段距離。目前，生物降解性高分子已經(jīng)成為化學家、生物學家和環(huán)境學家共同感興趣的一個領(lǐng)域。

未來的生物降解性高分子的研究課題將主要集中在改善材料的物理化學性能，降低材料的成本，確立適合各種不同用途的生物降解速度的控制技術(shù)。此外，由于生物降解性高分子一般都含有的色素、穩(wěn)定劑、增塑劑等各種添加劑，在材料降解后會溶出，所以開發(fā)安全性的添加劑及不需要添加劑的生物降解高分子也是這一領(lǐng)域的重要研究課題。

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