生物質(zhì)高分子材料應(yīng)用及發(fā)展探討

張浩

【摘 要】分子材料從20世紀(jì)發(fā)展到今，尤其是高分子材料，由于產(chǎn)品美觀(guān)實(shí)用、加工方便、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被推廣開(kāi)來(lái)。高分子材料已成為人類(lèi)最重要的材料，無(wú)論是我們的日常生活，還是高精尖的技術(shù)領(lǐng)域，都離不開(kāi)高分子材料。所以本文選取生物質(zhì)高分子材料來(lái)分析其應(yīng)用和發(fā)展的趨勢(shì)，以豐富這方面的知識(shí)理論，提供一定的現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】生物質(zhì)；高分子材料

1.生物質(zhì)高分子材料介紹

高分子材料由于其本身的可塑性好、材料性能高、比金屬和非金屬材料的密度小、價(jià)格低等特點(diǎn)，在人們的生活中扮演者越來(lái)越重要的角色，從Staudinger建立高分子學(xué)科起，對(duì)于高分子材料的的研究開(kāi)發(fā)所投入的人力和財(cái)力逐步增加。生物質(zhì)天然高分子廣泛存在與自然界中，它們是取之不盡、用之不竭的可再生資源。而且，這些天然高分子容易被自然界微生物分解成水、二氧化碳和無(wú)機(jī)小分子，對(duì)于環(huán)境沒(méi)有任何影響。但是天然高分子具有多種功能基團(tuán)和化學(xué)鍵，大部分生物質(zhì)天然高分子如淀粉、纖維素等鏈間存在大量羥基，分子內(nèi)與分子間易形成氫鍵，使它難溶與有些溶劑，從而不能熔融加工，高溫下分解而不熔融，分子間作用力強(qiáng)，溶解性差，加工性能差，用作塑料具有物性差等缺陷[1]。這可以通過(guò)化學(xué)、物理方法改性成為新材料，也可以通過(guò)新興的技術(shù)制備出各種功能材料，因此它們很可能在將來(lái)逐步取代合成塑料成為主要化工產(chǎn)品。目前有部分生物質(zhì)高分子材料已經(jīng)投入到工業(yè)化生產(chǎn)中。下文主要介紹了已經(jīng)較為成熟的生物質(zhì)高分子材料改性技術(shù)。

2.淀粉基生物質(zhì)可降解高分子材料

塑料是應(yīng)用最廣泛的高分子材料，由于其分子結(jié)構(gòu)等多方面原因其難以降解，隨著用量的與日俱增，廢棄塑料所造成的白色污染已成為世界性的公害，可降解高分子材料應(yīng)運(yùn)而生。降解高分子材料是指在使用后的特定環(huán)境條件下，在一些環(huán)境因素如光、氧、風(fēng)、水、微生物、昆蟲(chóng)以及機(jī)械力等因素作用下，使其化學(xué)結(jié)構(gòu)能在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生明顯變化， 從而引起物性下降，最終被環(huán)境所消納的高分子材料。其中生物降解高分子材料是指在自然界微生物或在人體及動(dòng)物體內(nèi)的組織細(xì)胞、酶和體液的作用下，使其化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化， 致使分子量下降及性能發(fā)生變化的高分子材料，根據(jù)降解機(jī)制可將生物質(zhì)可降解塑料大致分為兩大類(lèi)：填充性降解塑料和完全降解塑料。廣泛應(yīng)用在包裝、餐飲業(yè)、一次性日用雜品、藥物緩釋體系、醫(yī)學(xué)臨床、醫(yī)療器材等諸多領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景，所以開(kāi)發(fā)生物降解高分子材料已成為世界范圍的研究熱點(diǎn)。如Wamer-Lamber（美國(guó)）公司生產(chǎn)的Noven聚合物，是用90%的糊化淀粉的加入少量PVA及其他助劑而獲得的，其力學(xué)性能比一般聚合物好。

3.生物質(zhì)高分子在橡膠改性方面的應(yīng)用

天然橡膠中的其主要的成分是聚異戊二烯，在橡膠樹(shù)的膠乳中獲得，是一種具有綜合優(yōu)越性能的可再生天然資源。因其性能比較單一，所以對(duì)天然橡膠進(jìn)行改性，一般包括環(huán)氧化改性、粉末改性、樹(shù)脂纖維改性，氯化、氫化、環(huán)化和接枝改性以及與其它物質(zhì)的共混改性。淀粉和木質(zhì)素具有剛性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并含有多個(gè)活性基團(tuán)，可填充于橡膠中進(jìn)行增加和改性，這是由于這些活性基團(tuán)可通過(guò)羥基與橡膠中共軛雙鍵發(fā)生作用，也可與橡膠發(fā)生交聯(lián)、接枝等反應(yīng)。將木質(zhì)素填充橡膠與炭黑填充橡膠兩者性能相比較，可以發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素能實(shí)現(xiàn)更高含量的填充，且填充材料的耐溶劑性更高、耐磨性和耐屈撓性更強(qiáng)，光澤度更好，比重也更小。Novamont 公司也在生產(chǎn)汽車(chē)輪胎等橡膠產(chǎn)品方面，引入開(kāi)發(fā)出來(lái)的淀粉產(chǎn)品Mater-Bi。隨后，國(guó)內(nèi)外的研究方面主要是基于為了推動(dòng)這一領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展而展開(kāi)的，如采用乳液聚合的方法實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)對(duì)橡膠的改性。Wu[2]等制備出以硫酸鈣為增容劑，以大豆粉和天然橡膠為主要原料共混而制得的復(fù)合材料，其中天然橡膠和大豆粉的含量比為1∶1，用特殊工藝使天然橡膠顆粒充分而均勻的分散與大豆粉基中。由于天然橡膠和大豆粉基分子間都存在著氫鍵作用，使材料的力學(xué)性能和耐水性明顯提高。

4.生物質(zhì)高分子材料---纖維素的改性應(yīng)用

纖維素基高分子材料纖維素是地球上最豐富的碳水化合物。纖維素可以依靠自然作用完全生物降解性，柔韌性和高強(qiáng)度是纖維素特有的兩大優(yōu)勢(shì)，但是其基本的力學(xué)、熱學(xué)性能差，成型困難，難以符合工程材料的高性能要求，因此需通過(guò)改性獲得有實(shí)用價(jià)值的材料。對(duì)于纖維素基質(zhì)的可降解高分子材料，制備的手段主要有共混型和反應(yīng)型兩大種類(lèi)。所得到的產(chǎn)品可根據(jù)不同要求選擇不同的加工工藝，如流延成型、注射成型、模壓發(fā)泡等，來(lái)制得各種塑料薄膜片材以及發(fā)泡材料產(chǎn)品，優(yōu)點(diǎn)是：力學(xué)性能良好，生產(chǎn)成本低，降解速度快，可替代聚烯烴等難降解聚合物生產(chǎn)用于食品、化妝品、洗滌劑和日用品的包裝材料，此外還可應(yīng)用于地膜等產(chǎn)品。

5.生物質(zhì)醫(yī)用高分子材料[3]

目前在醫(yī)藥領(lǐng)域生物質(zhì)醫(yī)用高分子材料已得到廣泛應(yīng)用，例如其主要用于診斷疾病和治療損傷組織、器官的修復(fù)或替換等。根據(jù)不同來(lái)源，可將其分為天然和人工合成的生物質(zhì)醫(yī)用高分子材料兩大類(lèi)。天然生物醫(yī)用高分子原材料來(lái)源于大自然，資源豐富、容易獲取，具有很好的生物相容性、可降解性和較低的毒性，因而有著廣闊的應(yīng)用前景。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，通過(guò)細(xì)菌的酶解過(guò)程產(chǎn)生的纖維素（ 即細(xì)菌纖維素），具有良好的生物相容性、濕態(tài)時(shí)高的力學(xué)強(qiáng)度、優(yōu)良的液體和氣體通透性，能防止細(xì)菌感染，促使傷口的愈合。殼聚糖可作為生物相容性很好的可降解材料，通過(guò)特殊工藝制成手術(shù)縫合線(xiàn)、人造血管和人工皮膚等醫(yī)療產(chǎn)品。

此外，天然高分子水凝膠由于具有良好的生物相容性、溶脹性和負(fù)載的藥物不易失活等特性，因此，它廣泛的應(yīng)用于控制藥物釋放和組織工程生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

6.生物質(zhì)高分子材料在應(yīng)用中存在的不足及發(fā)展趨勢(shì)

高分子材料包括塑料、膠粘劑、涂料、纖維、薄膜和橡膠等，由于其強(qiáng)度好、保護(hù)性能優(yōu)良、質(zhì)量輕、抗腐蝕性能好，同時(shí)也具有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的不少潛在性能，使它更廣泛被應(yīng)用于軍用品、基礎(chǔ)構(gòu)建、船艦、汽車(chē)、航空等領(lǐng)域，逐漸成為人類(lèi)最重要的材料。然而，在這些優(yōu)勢(shì)和快速發(fā)展的背后，高分子材料的生產(chǎn)、加工以及廢棄物都對(duì)環(huán)境造成不少的壓力，加上當(dāng)前環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻高分子材料的綠色化發(fā)展是必然的趨勢(shì)。如當(dāng)前生物質(zhì)高分子材料在應(yīng)用趨勢(shì)方面主要存在幾個(gè)問(wèn)題[4]：一是生產(chǎn)成本高于產(chǎn)品定位，其生產(chǎn)成本是普通塑料的1～3倍左右；二是，技術(shù)與工藝還不夠完善；三是，使用性能單一，當(dāng)前商品化生物質(zhì)材料的綜合性能不突出。以上這些發(fā)展中的局限性，將促使未來(lái)生物質(zhì)分子材料朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展：一是提高原材料獲取技術(shù)，當(dāng)前研究的改性技術(shù)多以破壞大分子鏈段為主，勢(shì)必造成生物質(zhì)某些天然性能的喪失，所以為了充分發(fā)揮這些材料應(yīng)有的潛力，通過(guò)改進(jìn)工藝和設(shè)備提高對(duì)于生物質(zhì)高分子的獲取途徑和數(shù)量未來(lái)；二是，加大力度研發(fā)新型生物降解塑料，通過(guò)即是開(kāi)發(fā)合成簡(jiǎn)單工藝所需，也是生態(tài)環(huán)境保護(hù)所需，更是日常生活所需（如尿布）和工農(nóng)業(yè)所需（如農(nóng)藥瓶）；三是研發(fā)更高性能的生物質(zhì)復(fù)合材料，通過(guò)添加生物質(zhì)高分子材料、金屬材料、陶瓷材料等來(lái)提高產(chǎn)品的性能。

【參考文獻(xiàn)】

[1]朱穎先等，基于天然高分子的纖維材料進(jìn)展[J].金山油化纖，2001，2：7-11.

[2]WuQ，SelkeS，MohantyAK.Macromol Mater Eng，2007，292：1149～1157.

[3]楊立群等，天然生物醫(yī)用高分子材料的研究進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息，2009，15（5）：21-27.

[4]吳爽，生物質(zhì)高分子材料應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)[J].當(dāng)代化工，2012，41（10）：1055-1058.

[5]陳國(guó)強(qiáng)，陳學(xué)思，徐軍等.發(fā)展環(huán)境友好型生物基材料[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2010，3：54-62.

[6]王婷，木質(zhì)素提取及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].新疆化工，2011（3）：7-10.

[7]謝東，古菊，崔躍飛等.淀粉改性及其在橡膠中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].彈性體，2008，18（5）：70-75.