除了凌波微步,还能怎样在雨天走路不湿鞋?

作者: Frions

来源: 中科院物理所

发布日期: 2023-12-22 13:37:03

本文讨论了可降解塑料的降解机理,特别是聚乳酸(PLA)在不同环境条件下的降解过程,包括土壤、海洋和堆肥条件下的降解机理。文章详细解释了PLA的降解分为水解和微生物降解两个阶段,并讨论了不同降解过程的影响因素。

现在很多饮料店都使用可降解塑料吸管,真的可以降解吗?需要多久呢?从技术上讲,所有塑料都是可降解的。但出于实际目的,只有那些在较短时间内(通常是几周到几个月)降解的材料才被认为是可降解的。例如有研究认为,聚乳酸制成的食品杯只需60天就可以完全降解。由于高分子的降解需要一定的条件(这些条件使得高分子降解缓慢),而我们又生活在一个充满微生物的世界,因此科学家想到我们为什么不让微生物帮助降解塑料呢?

如果我们能制造出微生物可以“吃掉”的实用高分子,那么就可以大大加快降解速度,且微生物能够“吃掉”的成分通常对人体也是友好的。市面上所说的可降解塑料一般是指可生物降解塑料。生物降解通常指的是可以在一定生物活性环境下降解转化为CO和H2O的过程,该过程基于微生物使用聚合物材料作为其生物能量来源。聚乳酸PLA是一种经典的可生物降解塑料,我们以PLA为例来看一下可降解塑料的降解机理。

聚乳酸的降解分成两个阶段:1)首先是高分子经生物和非生物作用水解成乳酸单体;2)乳酸单体在微生物的作用下降解成二氧化碳和水。PLA降解通常涉及到酯键的断裂,根据诱导降解因素类型的不同,可以将PLA降解分为非生物过程(即水解、热降解、氧化、光解)和生物过程(微生物降解、生物酶降解)。这里为了便于更清晰地讨论,笔者把降解分为①在土壤中的降解和②在海洋中的降解。

土壤中主要的降解机理:纯化学水解(例如比较熟悉的酯基的酸碱水解)微生物降解(堆肥条件下还主要包括热降解过程)。纯化学水解:PLA材料浸入水性介质中,首先发生材料吸水。水性介质渗入聚合物基质,导致聚合物分子链松弛,酯键开始初步水解,分子量降低,逐渐降解为低聚物。

聚乳酸的端羧基(由聚合引入及降解产生)对其水解起催化作用,随着降解的进行,端羧基量增加,降解速率加快,从而产生自催化现象,使其水解为乳酸小分子。微生物降解:生物降解是指在一定的时间和一定的温度、湿度条件下,高分子被微生物(细菌、真菌、藻类等)及其分泌物酶促作用或其他化学因素作用下降解成H2O和CO等无机小分子的过程,酶促降解比水解降解更快。

对于PLA微生物降解机制有两种解释:一是作为酯类聚合物,PLA酯基破坏,发生断链反应,得到较低分子量的PLA,这些低分子量的PLA在酶的作用下,降解生成H2O和CO;二是当PLA会在其相对分子质量下降到一定值后变脆,当低于1万g/mol时,得到大小形状存在差异的分子碎片,再由微生物代谢作用代谢为H2O和CO释放。

总之,在酶的作用下,PLA解聚形成乳酸,通过微生物的呼吸、尿液和粪便以无机小分子形式排出体外。堆肥:PLA在堆肥条件下比在土壤或海水中降解快。堆肥是一种生物环境,在其中有机物被分解成二氧化碳、水、无机盐和腐殖质。据报道,在堆肥条件下,PLA在50~60℃下的降解时间通常为45~60天。堆肥具有等于或大于PLA的Tg的温度,特别是在高温相(≈60℃),可以提高PLA的降解速率。

海水中主要的降解机理:光氧化降解(或称为紫外降解)。光氧化降解:商品化的高分子量PLA在海洋环境中降解缓慢,主要是因为水温较低(<~30℃)。根据光波波长的长短,PLA会发生不同的降解反应,从而造成不同的降解速率和降解机理。在较短波长的光照下,PLA的降解主要是Norrish I或Norrish II反应,但当PLA处于波长大于300nm的光照下时,PLA就会发生降解反应。

在紫外光的照射下或通过热分解,杂质会形成能与PLA进行反应的自由基,该种自由基会夺走PLA的H原子,使PLA生成自由基并进一步反应生成过氧化自由基,而过氧化基又会继续夺取PLA中的H原子,发生链传递反应,由于过氧化氢物极不稳定,易分解形成羟基和烷氧基,烷氧基是光氧降解的中间体,经过几种不同方式的断裂分解,形成小分子化合物,从而达到降解的结果。

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