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生物質(zhì)高分子材料應(yīng)用及發(fā)展探討
西北民族大學(xué)化工學(xué)院 張浩 2013/8/23 8:27:59
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（未完，下一頁(yè)）
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