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答辯人:趙進(jìn)指導(dǎo)老師:王磊
生物降解高分子材料聚乳酸的合成及應(yīng)用
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目錄第一章生物降解高分子材料概述01第二章可降解材料聚乳酸纖維的合成02第三章生物降解高分子材料聚乳酸性能以及應(yīng)用03Page
4第一章生物降解高分子材料概述
塑料是應(yīng)用最廣泛的高分子材料,按體積計(jì)算已居世界首位,由于其難以降解,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。意大利、德國、美國等國家已率先以法律形式,規(guī)定了必須使用降解性塑料的塑料產(chǎn)品范圍;我國目前的塑料生產(chǎn)和使用已躍居世界前列,每年產(chǎn)生幾百萬噸不可降解的廢舊物,嚴(yán)重污染著環(huán)境和危害著我們的健康。可見開發(fā)可降解高分子材料、尋找新的環(huán)境友好高分子材料來代替塑料已是當(dāng)務(wù)之急。
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一、生物降解高分子材料的定義
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(jī)化而成為自然界中碳元素循環(huán)的一個(gè)組成部分的高分子材料。Page
61、生物降解高分子材料降解機(jī)理根據(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(jī)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(yīng)對這類高分子降解發(fā)揮輔助作用,光氧化反應(yīng)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(gè)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(jī)理是過氧化反應(yīng)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(jī)理尤其適用于碳鏈高分子。非生物過氧化反應(yīng)及隨后的生物降解反應(yīng)可通過所用的合適抗氧劑得到嚴(yán)格控制。二、生物降解高分子材料降解機(jī)理及影響因素Page
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2、生物降解高分子材料降解影響因素
影響高分子材料降解的主要因素有:(1)化學(xué)鍵的穩(wěn)定性:單體的組成、結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì);(2)物理性質(zhì):如親水性、結(jié)晶度,可以通過單體的化學(xué)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(qiáng)度;Page
8三、生物降解高分子材料發(fā)展的背景
塑料工業(yè)發(fā)展的環(huán)保瓶頸:混入生活垃圾中的廢舊塑料很難處理、填埋處理將會(huì)長期占用土地、混有塑料的生活垃圾不適用于堆肥處理、廢舊塑料分揀回收難度很大;廢舊塑料混在土壤中,影響農(nóng)作物吸收養(yǎng)料和水分,將導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)。在自然條件下,合成塑料的降解需要數(shù)百甚至上千年。目前,絕大多數(shù)塑料的原料來自于石油及其副產(chǎn)品。石油的開采使用雖然成就了今日的社會(huì)文明,但也帶來人類的環(huán)境災(zāi)難,大量的CO2造成溫室效應(yīng)、全球變暖、氣候變遷、環(huán)境污染。在這種大背景下,開發(fā)使用環(huán)境友好型的生物降解塑料正日益成為整個(gè)社會(huì)的共識!目前聚乳酸(PLA)在生物降解塑料市場中占據(jù)最重要地位,是唯一可以與傳統(tǒng)塑料競爭的生物降解塑料品種。Page
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第二章可降解材料聚乳酸纖維的合成
聚乳酸具有優(yōu)良的生物相容性、生物可降解性,最終的降解產(chǎn)物是二氧化碳和水,不會(huì)對環(huán)境造成污染。這使之在以環(huán)境和發(fā)展為主題的今天越來越受到人們的重視,并對其在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、生物醫(yī)藥領(lǐng)域、食品包裝領(lǐng)域的應(yīng)用展開了廣泛的研究。Page
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一、聚乳酸纖維的定義
聚乳酸纖維(PLA)的生產(chǎn)原料乳酸是從玉米淀粉中制得,所以也將這種纖維稱為玉米纖維。是生物體(包括人體)中常見的天然化合物。通過乳酸環(huán)化二聚物的化學(xué)聚合或乳酸的直接聚合可以得到高分子量的聚乳酸。以聚乳酸為原料得到的制品,具有良好的生物相容性和生物可吸收性,以及很好的生物降解性,并且在可降解熱塑性高分子材料中PLA具有最好的抗熱性。其結(jié)構(gòu)式如圖2—1。Page
11二、原料的生產(chǎn)聚乳酸的原料是乳酸,即1-羥基丙酸、2-羥基丙酸。由于乳酸分子中有一個(gè)不對稱碳原子,所以具有d-型(右旋光)和L-型(左旋光)兩種對映體,等量的L-乳酸和d-乳酸混合而成的dL-乳酸不具旋光性。成纖聚乳酸以L-乳酸為單體。L-乳酸的工業(yè)化生產(chǎn)主要有微生物發(fā)酵法和化學(xué)合成法兩大類。中國發(fā)酵乳酸工業(yè)主要采用玉米、大米、薯干粉等為原料,以谷糠、麥皮等為輔料,以α-淀粉酶、糖化酶為液化劑、糖化劑,CaCO3為中和劑,經(jīng)發(fā)酵生產(chǎn)乳酸鈣,再進(jìn)一步酸化純化得到乳酸產(chǎn)品。Page
12三、聚乳酸纖維的制備乳酸的制備
乳酸可由含淀粉類谷物(例如玉米、土豆、甘蔗下腳、甜菜下腳)經(jīng)水解生成葡萄糖、麥芽糖等糖類,再經(jīng)特殊酵母菌發(fā)酵方法制成。聚乳酸的制備
PLA的制備方法主要有直接聚合法(簡稱一步法)、丙交酯開環(huán)聚合法(簡稱兩步法)。另外,采用兩步法可先去除乳酸中的水份,制得丙交酯的環(huán)狀中間體聚合物,然后經(jīng)真空蒸餾,即可制得分子量范圍較寬的PLA聚合物。PLA纖維的制備PLA與PET、PA等聚合物一樣,可通過干法紡絲或熔體紡絲來制備PLA纖維。在PLA紡絲過程中,通常要求PLA聚合物原料的平均分子量為33萬,最好采用左旋聚乳酸(PLLA),作為紡絲原料。Page
13第三章生物降解高分子材料聚乳酸性能以及應(yīng)用一、聚乳酸纖維的性能物理性能
聚乳酸纖維結(jié)構(gòu)規(guī)整,具有較高的結(jié)晶度(約為83.5%)、較高的拉伸溫度和較好的柔軟性,具有較好的物理機(jī)械性能,與聚酯和聚酰胺纖維比較,PLA纖維具有更好的手感和懸垂性,密度小,抗紫外線好,可燃性差、發(fā)煙量小,有較好的卷曲性和保形性。生物降解性聚乳酸纖維具有優(yōu)良的生物降解性,其主要原因是聚合物上酯鍵的分解,一般認(rèn)為,其末端的羧基對其水解起到催化作用,降解過程從無定形區(qū)開始。聚乳酸的分解有兩個(gè)階段:經(jīng)水解反應(yīng)分解之后再靠微生物分解。在自然環(huán)境中首先發(fā)生水解,然后,微生物進(jìn)入組織物內(nèi),將其分解成二氧化碳和水。Page
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親水性
由于水分子極易與聚乳酸纖維大分子上的極性氧基團(tuán)結(jié)合,所以聚乳酸纖維比大多數(shù)熱性聚合物具有更好的親水性。因而,聚乳酸纖維及其織物的吸濕能力、對濕氣的傳導(dǎo)能力都比其他合成纖維強(qiáng),雖然聚乳酸纖維的吸濕能力比不上棉纖維,但是可以在很多情況下代替聚酯纖維和錦綸,使得織物獲得較好的透濕氣性能,因而,聚乳酸纖維適合做運(yùn)動(dòng)服和其他傳統(tǒng)服裝面料。穩(wěn)定性最終產(chǎn)品在應(yīng)用過程中的穩(wěn)定性也是必須要關(guān)注的的性能。聚乳酸纖維產(chǎn)品在生物降解前必須經(jīng)過高溫高濕條件下的水解過程,因此在使用過程中都有較好的穩(wěn)定性,而不像其他生物降解材料那樣在一接觸到微生物時(shí)就發(fā)生降解。Page
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安全性純凈的聚乳酸幾乎沒有毒性,它在人體中慢慢分解成乳酸,而人體內(nèi)原本就有乳酸,并且乳酸可以被人體分解吸收,作為碳素元被充分利用。聚乳酸類材料使用后,可以進(jìn)行自然降解、堆肥和燃燒處理。聚乳酸的自然降解不會(huì)給環(huán)境帶來污染。因此,聚乳酸纖維也被確認(rèn)為對人體絕對安全的材料,用它制成的織物不刺激皮膚。Page
16二、生物降解高分子材料聚乳酸的應(yīng)用
生活領(lǐng)域的應(yīng)用聚乳酸由于它的無毒性和良好的機(jī)械性能,適合加工成各種飲料、食品、高檔化妝品等的外包裝材料以及被壓制成透明的纖維、容器、鏡片等;可與其他天然纖維混紡,其纖維織物透氣性好,抗皺性強(qiáng)。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用聚乳酸材料具有很好的韌性,適合加工成高附加值的農(nóng)用地膜;也可以應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)中作播種織物、薄膜、防草袋、防蟲防獸害蓋布等;還可用作土壤、沙漠綠化保水材料、農(nóng)藥化肥緩釋材料等。Page
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服裝領(lǐng)域的應(yīng)用在服裝方面,可作成紗、編織物、非織造布等,具有可染性和生物相容性,制成的織物有絲般的光澤和手感,有優(yōu)異的懸垂性和很好的滑爽性,不刺激皮膚,對人體健康,穿著舒適,尤其適合于內(nèi)衣和運(yùn)動(dòng)衣。生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用聚乳酸是一種可生物降解的高分子材料,因具備良好的生物相容性、生物降解性、無毒等特點(diǎn),而被廣泛用作藥物控制釋放材料、手術(shù)縫合線、骨修復(fù)材料等。Page
18總結(jié)與展望優(yōu)勢:
聚乳酸是惟一一種可以熔融加工的以天然材料為基礎(chǔ)的聚合物,聚乳酸纖維,其性能與合成纖維相比不相上下,甚至在某些情況下更為優(yōu)異。以淀粉為原料,可持續(xù)供應(yīng),價(jià)格較低,不受國際原油價(jià)格影響,有利于緩解能源問題。原料來自可再生的植物資源,所有富含淀粉的農(nóng)作物都能生成聚乳酸,不消耗不可再生的礦物資源,也不增加二氧化碳的排放,符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)原則,有利于社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。不足:耐熱溫度太低,純PLA軟化點(diǎn)只有65℃,制品很容易發(fā)生變形或粘連,嚴(yán)重
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