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生物基塑料與可生物降解塑料是利于環保、可持續替代目前主要以石油為原料的傳統塑料的新型材料。“可降解”、“可生物降解”和“可堆肥”等是人們在談論這些材料時常涉及的術語,它們之間類似而又有所區別。
在設計一種新產品時,很重要的一點是要考慮其生態行為,這關系到其最終的處理方式。特別需要關注的是那些用于一次性包裝和消費品的塑料。將這些材料設計成可以生物降解,并確保它們最終可以適當地系統處理掉,這樣才有利于環保和生態。例如,將可生物降解塑料和廢紙與其他有機可堆肥材料,如庭院廢料、食物和農業廢料等一起堆肥就可生成用量很大的富碳肥料(腐殖材料)。經肥料改良的土壤具有多種好處,由于提高了有機碳、水分和營養成份的含量,可降低化學品用量并抑制植物疾病。如今,人們越來越多地利用堆肥來維持農業系統的可持續發展。在許多國家,食品廢料及其他生物廢料單獨收集,將其堆肥來生成良好的高價值的土壤改良材料,這些材料返回田間,維系碳循環。
在過去,聚合物被設計成不易降解的材料。如今,所面臨的挑戰是要設計出在使用過程中具有所需的功能,但在使用后可分解的聚合物。更重要的一點是,降解產物不能有毒,不能在環境中長期存在,而是能夠像食物一樣在一定的時間內由土壤微生物完全消化。為了確保巿場能夠接受可生物降解產品,毫無疑問,只需證明這些材料在廢料管理基礎設施中在較短的幾周時間內即可生物降解(更確切地說是這些材料可通過處理設施中存在的微生物酶消化/利用)。
但是,這些內容并不足以清楚地解釋“可降解”、“可生物降解”和“可堆肥”塑料之間的差別。以下將做進一步的說明。
(1)可降解塑料
可降解塑料包括可通過物理和生物因素(光或熱,或微生物作用)降解的塑料。所謂的可氧降解(即在高溫下由催化劑或活化劑加速降解)或可光降解淀粉—聚乙烯塑料會產生一些環境問題。這些材料的降解速度不如可堆肥塑料快,還可能留下碎片。這些降解形成的憎水碎片具有很大的表面積,可能遷移到地下水和土壤中,在其表面上吸附并保留一些憎水的高毒性物質,如PCB和DDT,使毒性物質含量高達背景含量的1百萬倍,足以成為環境中毒性物質的輸送系統。因此,必須確保產品在處理設施決定的極短的時間內可完全生物降解。
降解與生物降解
(2)可生物降解塑料
可生物降解塑料是那些可以被處理系統中的微生物作為食物來獲取能量(進入食物鏈)而完全消化的塑料。這種完全的微生物消化/利用的判定是通過測試試驗塑料的碳元素經過細胞中發生的微生物過程是否可以完全轉化成CO2來衡量。
(3)可堆肥塑料
除了可通過微生物生物降解外,要把一種塑料稱作“可堆肥”塑料還必須符合一個時間要求。例如,ASTM 6400(可堆肥塑料規范),ASTMD6868(用于紙張或其他可堆肥介質表面涂層的生物降解塑料規范)或EN 13432(可堆肥包裝)標準中規定,這些材料在工業化堆肥環境中應在180天以內生物降解。工業化堆肥環境指規定溫度約為60℃,并必須存在微生物。按照該定義,可堆肥塑料在殘留物中不會留下存在時間長于約12周的碎片,不含重金屬或有毒物質,并可維系植物的生命。
研究開發可完全生物降解的塑料是解決環境污染問題的有效途徑。聚丁二酸丁二醇酯(PBS)是一種具有良好的熱性能、機械性能和加工性能的生物降解脂肪族聚酯,研究PBS的生物降解性能對其作為環境友好材料的推廣應用具有重要意義。堆肥法是近年發展起來的一種評價塑料生物降解性能的方法,其本質是依靠自然界廣泛分布的細菌、放線菌和真菌等微生物,促進可生物降解的有機物向穩定的腐殖質轉化的生物化學過程。此法用來評價塑料的生物降解性能快速有效、簡單直觀,并能在相當程度上反映出塑料在自然條件下的生物降解性。迄今,堆肥法已成為美國、日本和歐洲各國評價塑料生物降解性能的主要方法。國際上的堆肥化標準主要有ISO 14855、ASTM D5338、JIS K 6953和DIN V54900,其中ISO 14855是最常用的一種:受控堆肥條件下材料最終需氧生物分解和崩解能力的測定。采用測定二氧化碳釋放量的方法。今用堆肥法研究PBS的生物降解性能,并進一步篩選出最有效降解PBS的微生物,對PBS的推廣應用及其在特定微生物作用下的降解機理研究都具有重要的意義。
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全生物降解塑料PBS和PBAT的介紹
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