開題報(bào)告-生物降解膜

PAGE2浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告班級(jí)06材料科學(xué)與工程姓名黃夢(mèng)澤課題名稱納米TiO2生物降解薄膜的拉伸強(qiáng)度研究開題報(bào)告課題研究的意義與可行性1.1生物降解膜的介紹與國(guó)內(nèi)外的發(fā)展1.2生物降解膜的應(yīng)用前景本課題的研究?jī)?nèi)容2.1納米TiO2光催化劑2.2光催化劑的催化機(jī)理2.3納米TiO2在生物降解膜中的光催化研究2.4適應(yīng)各種需求光催化生物降解膜需做的突破3.課題研究的實(shí)施方案4.參考文獻(xiàn)成績(jī)：答辯意見答辯組長(zhǎng)簽名：年月日系主任審核意見簽名：年月日課題研究的意義與可行性當(dāng)前社會(huì)資源與環(huán)境是人類在21世紀(jì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展所面臨的重大問(wèn)題，生物技術(shù)將成為解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)之一。在造成環(huán)境污染的諸多因素中，塑料廢棄物造成的公害已引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。21世紀(jì)初，我國(guó)的塑料包裝材料用量很大，年用量將達(dá)到5000萬(wàn)噸，如果其中有30％為一次性發(fā)泡塑料，那么全國(guó)每年的廢棄塑料將有1500萬(wàn)噸以上；全國(guó)有5億畝土地可利用地膜，目前僅有30％的土地利用了地膜，再加上育苗缽和農(nóng)副產(chǎn)品保鮮膜，這些塑料廢棄物每年約有1000萬(wàn)噸；其它方面的廢塑料約有1000萬(wàn)噸；這樣每年全國(guó)廢塑料總量將達(dá)到3500萬(wàn)噸，其污染所造成的環(huán)境壓力不言而喻。如果在這些廢棄塑料中有30％為可降解塑料，那么我們的環(huán)境將會(huì)得到大大的改善，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)僅有100多個(gè)生產(chǎn)降解塑料的廠家，生產(chǎn)能力不到10萬(wàn)噸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上市場(chǎng)的需求。目前世界上主要生產(chǎn)降解塑料的國(guó)家有美國(guó)、日本、德國(guó)、意大利、加拿大和以色列等國(guó)，品種有光降解、光-生物降解、崩壞性生物降解、完全生物降解等類型。生物降解塑料在可降解塑料中最具發(fā)展前途。世界上的生物降解塑料主要是采用脂肪族聚酯或脂肪族聚酯混合淀粉制造的，脂肪族聚酯主要包括以石油為原料合成的聚己（PCL）、聚丁烯（PBS）及共聚體，還有以可再生資源為原料生產(chǎn)的聚乳酸、由微生物生產(chǎn)的聚羥基酪酸（PHB）等。生物降解塑料被分解后，成為水和二氧化碳，因此不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害。最近采用聚乳酸制造生物降解塑料的技術(shù)特別引人注目，美國(guó)卡基爾·道聚合物公司已開始建設(shè)生產(chǎn)聚乳酸的工廠，到2001年底，年產(chǎn)14萬(wàn)噸的設(shè)備已投產(chǎn)；日本三菱樹脂公司正在建設(shè)年產(chǎn)3500噸規(guī)?？山到獗∧ぶ圃煸O(shè)備，到2002年擴(kuò)大到年產(chǎn)1萬(wàn)噸。從降解塑料應(yīng)用領(lǐng)域分析，北美1989年降解塑料總銷售量的88萬(wàn)噸中，其中用于包裝達(dá)76萬(wàn)噸，包括包裝袋類56萬(wàn)噸(其中垃圾袋47.5萬(wàn)噸，購(gòu)物零售袋等8.5萬(wàn)噸)，飲料罐提環(huán)10.5萬(wàn)噸，其它包裝9.5萬(wàn)噸（其中有衛(wèi)生用無(wú)紡布5.5萬(wàn)噸，農(nóng)業(yè)用2.5萬(wàn)噸），其它領(lǐng)域用4萬(wàn)噸。當(dāng)時(shí)預(yù)測(cè)至2000年，包裝用量達(dá)248萬(wàn)噸，無(wú)紡布為30萬(wàn)噸，農(nóng)業(yè)用16萬(wàn)噸，其它26萬(wàn)噸。1989年-1994年，包裝用年平均增長(zhǎng)率為16.2%，無(wú)紡布為21.4%，農(nóng)業(yè)用22.9%，其它領(lǐng)域?yàn)?0.1%。1994年-2000年年平均增長(zhǎng)率在包裝方面為7.5%，無(wú)紡布方面為12.9%，農(nóng)業(yè)用14.8%，其它領(lǐng)域17.3%。由此可見生物降解材料在當(dāng)前社會(huì)被廣泛運(yùn)用是順應(yīng)社會(huì)發(fā)展的必然選擇。在2008年，北京成功舉辦了令全球矚目的第29屆奧運(yùn)會(huì)，北京奧運(yùn)會(huì)提出了綠色奧運(yùn)的理念。在2008北京奧運(yùn)會(huì)上，“鳥巢”、“水立方”等一批奧運(yùn)標(biāo)志性場(chǎng)館已成為綠色北京的象征和節(jié)能環(huán)保的樣板，其中，生物降解膜被廣泛的用于各種包裝材料與裝飾材料。其環(huán)保性能不疑為其被應(yīng)用的一大亮點(diǎn)。在我們所說(shuō)的生物降解材料其實(shí)是指一類由自然界存在的微生物如細(xì)菌、霉菌（真菌）和藻類的作用而引起降解的材料。理想的生物降解材料是一種具有優(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(wú)機(jī)化而成為自然界中碳素循環(huán)的一個(gè)組成部分的高分子材料?！凹垺笔且环N典型的生物降解材料，而“合成材料”則是典型的高分子材料。因此，生物降解材料是兼有“紙”和“合成材料”這兩種材料性質(zhì)的高分子材料。生物降解又可分為完全生物降解和破壞性生物降解兩種。破壞性生物降解材料：破壞性生物降解材料當(dāng)前主要包括淀粉改性（或填充）聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚氯乙烯PVC、聚苯乙烯PS等。完全生物降解材料：完全生物降解材料主要是由天然高分子（如淀粉、纖維素、甲殼質(zhì)）或農(nóng)副產(chǎn)品經(jīng)微生物發(fā)酵或合成具有生物降解性的高分子制得，如熱塑性淀粉材料、脂肪族聚酯、聚乳酸、淀粉/聚乙烯醇等均屬這類材料。[1]根據(jù)不同用途及環(huán)境條件，進(jìn)一步深化研究，并通過(guò)分子設(shè)計(jì)研究改進(jìn)配方、開發(fā)準(zhǔn)時(shí)可控性環(huán)境降解塑料已成為許多國(guó)家的重點(diǎn)攻關(guān)課題。經(jīng)綜合各種文獻(xiàn)資料進(jìn)行歸納，大體上可預(yù)測(cè)降解塑料今后的研究與開發(fā)趨向[]：積極研究開發(fā)高效價(jià)廉光敏劑等，進(jìn)一步提高可控性、快速降解性和完全降解性。有利于一次性塑料廢棄物的處理，同時(shí)保證獲得豐富的原料來(lái)源，以天然高分子、微生物合成高分子和具有生物降解性的合成高分子為原料，開發(fā)完全生物降解塑料愈來(lái)愈受到重視。水解性塑料和可食性材料，由于具有特殊的功能和用途而受到世界矚目，從而成為環(huán)境適性材料的又一熱點(diǎn)。為加速降解塑料的發(fā)展，各國(guó)正致力于加速研究和建立統(tǒng)一的降解塑料的定義、降解機(jī)理、評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)。探索及培育能降解普通塑料的菌株，使目前廣泛使用的普通塑料用后具有易降解性，以適應(yīng)環(huán)保要求；同時(shí)十分重視培育可生產(chǎn)聚酯的生物性植物等，以降低生物降解塑料的成本，有利于推廣應(yīng)用。另外，四川聯(lián)合大學(xué)黃旭東等對(duì)生物可降解塑料的研究，在材料合成與加工兩個(gè)方面作了如下展望：其一，材料合成采用微生物合成方法制取生物降解高聚物，如建立一些新的模式與概念，利用微生物的發(fā)酵獲得具有新結(jié)構(gòu)的聚合物；可回收農(nóng)業(yè)原料，發(fā)展高效的制備細(xì)菌聚合物的途徑；使用酶催化聚合物合成新材料；使用酶的立體選擇性單體，在酶的作用下進(jìn)行生物高聚物的合成和改性。采用有機(jī)合成方法制備生物降解高聚物，如合成結(jié)構(gòu)上類似于天然聚合物的高聚物，建立聚合物結(jié)構(gòu)、形態(tài)、生物降解性能之間的關(guān)系；將內(nèi)酯、環(huán)氧化合物、環(huán)狀碳酸鹽、酐等進(jìn)行開環(huán)聚合，獲得新的生物降解高聚物；對(duì)多糖進(jìn)行改性獲得新的可降解加工材料。其二，加工與共混開發(fā)新技術(shù)，制得生物高聚物的衍生物；采用反應(yīng)性加工方法，獲得多糖和可降解聚酯等新的生物降解材料；發(fā)展共擠出技術(shù)，擴(kuò)大憎水性聚合物的應(yīng)用；確立共混組成，使性能、生物降解性及生產(chǎn)成本最優(yōu)；將可降解增塑劑與生物降解聚合物共混，改善后者的加工性能，獲得可降解共混材料；將可降解增塑劑、填料和多糖與可降解聚酯共混，改善加工性能并降低成本；研究共混比、相容性、形態(tài)等對(duì)生物降解共混物的動(dòng)力學(xué)與物理、化學(xué)性能的影響[13]。TiO2光催化生物降解膜的研究自20世紀(jì)70年代，日本東京大學(xué)的藤島昭教授首次發(fā)現(xiàn)納米TiO2的光催化特性以來(lái)[2]，納米TiO2受到了國(guó)內(nèi)外有關(guān)人士的廣泛研究，并得以在許多方面應(yīng)用，由于它的高效催化效應(yīng)在光催化降解污染物、殺菌除臭、廢水處理和凈化大氣等方面的優(yōu)勢(shì)，納米TiO2更成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。國(guó)外從20世紀(jì)80年代中期開始，國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)9O年代開始，在這方面的實(shí)驗(yàn)室研究工作已取得多項(xiàng)成果。國(guó)外(尤其是日本)在這方面取得了較為顯著的進(jìn)展，日本有不少企業(yè)開發(fā)出了光催化涂料并實(shí)現(xiàn)了商品生產(chǎn)。KawabataK通過(guò)研究TiO2納米生物降解薄膜的降解性能發(fā)現(xiàn)TiO2納米生物降解薄膜是一種具有發(fā)展前景、容易制備、利用太陽(yáng)光中的紫外線就可以降解污染物的薄膜[3]。而在國(guó)內(nèi)研究了利用TiO2制備耐沾污性涂料[4]、具有抗菌功能的涂料[5]、凈化大氣環(huán)保涂料[6]等，取得了一定的進(jìn)展，并且有具體的應(yīng)用實(shí)例[7]。有人在路燈表面分別涂覆含有TiO2的膜料和不含TiO2的普通膜料，經(jīng)一段時(shí)間觀察后發(fā)現(xiàn)，含有納米TiO2的部分依然清潔如新，而普通膜料的表面已嚴(yán)重沾污，變成黑色。由此可見，利用含有TiO2的膜料作為材料內(nèi)的添增劑時(shí)，不但使材料具有凈化空氣、殺菌、除臭的功能，還可以使材料具有自清洗、保潔功能，節(jié)省了大量的人力、物力，使各種設(shè)施長(zhǎng)時(shí)間保持整潔如新。通過(guò)研究了解納米TiO2的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)與金屬粒子具有連續(xù)的能帶結(jié)構(gòu)不同，半導(dǎo)體粒子納米TiO2具有能帶結(jié)構(gòu)，一般由填滿電子的低能價(jià)(valenceband，VB)和空的高能導(dǎo)帶(conductionband，CB)構(gòu)成，價(jià)帶和導(dǎo)帶之間存在禁帶。當(dāng)用能量等于或大于TiO2禁帶寬帶的光照射TiO2時(shí)，TiO2半導(dǎo)體內(nèi)的電子就會(huì)被激發(fā)從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶形成空穴，導(dǎo)帶的電子是良好的還原劑，電子能和表面吸附的氧分子反應(yīng)生成超氧離子自由基(·O22-)；而價(jià)帶的空穴是良好的氧化劑，有強(qiáng)的得電子能力，能夠和表面吸附的H2O或OH-反應(yīng)形成具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基(·OH)，由于生成的自由基具有很強(qiáng)的氧化分解能力，可破壞有機(jī)物中的C-C鍵、C-H鍵、C-N鍵、C-O鍵、O-H鍵和N-H鍵，從而具有光催化降解涂層表面有害污染物。[8]由于納米TiO2粒子的能帶是不連續(xù)的，使得光生電子一空穴對(duì)有時(shí)間(其壽命一般為皮秒級(jí))經(jīng)由禁帶向吸附在納米TiO2表面的環(huán)境中的外來(lái)物種轉(zhuǎn)移電荷，空穴可奪取納米TiO2粒子表面吸附物質(zhì)或溶劑中的電子而使其活化氧化，電子受體(在含有空氣的水溶液中通常是氧)由于得到電子而被還原，均生成強(qiáng)氧化性自由基，進(jìn)而發(fā)生氧化反應(yīng)。與電子相比，光生空穴具有更大的反應(yīng)活性。反應(yīng)機(jī)理方程式為：H2O+h+→·OH+H+OH-+h+→·OHO2+e-→·02-H20+·O2-→·OOH+OH-2·OOH→O2+H2O2·OOH+H20+e-→H2O2+OH-H202+e-→·OH+OH-[9]在高能量光量子激發(fā)下進(jìn)行躍遷的電子的存在狀態(tài)對(duì)電子的躍遷幾率影響很大。光催化反應(yīng)中生成的e-／h+從吸附分子流向催化劑。對(duì)于e-／h+來(lái)說(shuō)，其遷移速率和幾率取決于最低能級(jí)導(dǎo)帶和最高能級(jí)價(jià)帶的位置以及吸附物質(zhì)的氧化還原電位。在熱力學(xué)上，光催化反應(yīng)能夠進(jìn)行的條件是：受體電勢(shì)低于半導(dǎo)體導(dǎo)帶電勢(shì)，供體電勢(shì)高于半導(dǎo)體價(jià)帶電勢(shì)[10]。納米TiO2光催化劑從光催化機(jī)理上分析，一方面，物質(zhì)的降解速度必然與光生載流子電子和空穴的濃度有關(guān)。而納米級(jí)的TiO2隨著粒徑的減小，表面原子迅速增加，光吸收效率提高，從而增加表面光生載流子的濃度；另一方面催化反應(yīng)的速率與物質(zhì)在催化劑上的吸附量有關(guān)，隨著晶粒尺寸的減小，比表面增大，表面鍵態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同，表面原子的配位不全導(dǎo)致表面活性位置增多，因而與大粒徑的同種材料相比，納米材料活性更高，有利于反應(yīng)物的吸附，從而增大反應(yīng)幾率[11]。納米TiO2生物降解膜的光催化研究：此次研究主要為了解決由于日常生產(chǎn)中中的包裝材料，建筑材料，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)塑料膜中，由于受到各種污物的污染，尤其是油性有機(jī)污染物粘附在薄膜上，不易被水沖洗干凈。而通過(guò)光催化實(shí)驗(yàn)去研究TiO2具有明顯的光催化性，而且使加入TiO2的膜穩(wěn)定性能良好能催化污染物分解。使光催化的材料具有明顯的自清潔作用，改善材料的去污性能，提高添加材料的附加價(jià)值。另外為了達(dá)到納米生物降解膜的實(shí)際應(yīng)用和普遍推廣，還需在以下方面取得突破：①通過(guò)應(yīng)用表面技術(shù)和材料合成技術(shù)，對(duì)催化劑進(jìn)行表面修飾與改進(jìn)，大幅提高并維持其催化活性，是今后的研究熱點(diǎn)之一；②研究催化劑的防毒與再生技術(shù)，盡可能地延長(zhǎng)催化劑的壽命并能通過(guò)較為簡(jiǎn)單的方法達(dá)到催化劑的再生和重復(fù)使用；③以往的研究多集中在對(duì)單一組分的降解，但納米薄膜的污物污染通常有多種組分，因此開發(fā)對(duì)多組分污染物都有高降解率的催化劑將是很有實(shí)用價(jià)值的；④開發(fā)多功能光催化劑。TiO2光催化劑具除污、抗菌、消毒、防霧、自潔等功能，因此研制集多種功能于一身的光催化劑并拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹呛苡星巴镜囊粋€(gè)方向；⑤研究利用日光作為光催化的光源。太陽(yáng)光譜中波長(zhǎng)在300-387nm之間的能量有1%，而且利用太陽(yáng)能清潔、經(jīng)濟(jì)，因此利用太陽(yáng)能是可行的[12]。課題所要研究的內(nèi)容及實(shí)施方案初步了解光催化的原理。研究納米TiO2生物降解膜的性能。納米TiO2生物降解膜的拉伸性能。掌握納米TiO2生物降解膜在生物降解方面的作用機(jī)理。實(shí)驗(yàn)步驟制定納米TiO2生物降解膜含量。含納米TiO2生物降解膜的制備。含納米TiO2生物降解膜的性能測(cè)定 納米TiO2生物降解膜拉伸性能測(cè)定按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB-13022（塑料薄膜拉伸性能試驗(yàn)方法）進(jìn)行測(cè)定。納米TiO2生物降解膜老化實(shí)驗(yàn)與測(cè)定參考文獻(xiàn)[1]梁惠剛，汪華方．氟碳涂料的應(yīng)用和發(fā)展前景．中國(guó)科學(xué)院武漢文獻(xiàn)情報(bào)中心．2009，NO.6．[2]倪玉德．含氟聚合物及含氟涂料[J]．現(xiàn)代涂料與涂裝，2000，3(4)：29—3．[3]KawabataK．YoshimatsuH，eta1．PropertiesandcatalyticactivityofNOxreductionofalumina—titaniacatalyticpreparedbysol·gelmethod[J]．JournalofMaterialsScience．1999，34(11)：2529—2534．[4]徐瑞芬，許秀艷，付國(guó)柱．納米TiO2在涂料中的抗菌性能研究[J]．北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，29(5)：45-48．[5]邱星林，徐安武．納米級(jí)TiO2光催化凈化大氣的環(huán)保