齊艷杰，吳霞，周瑞，柳傲雪(昌吉學(xué)院化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)系，新疆 昌吉 831100)

1 淀粉基可降解塑料概述

1.1 淀粉基可降解塑料定義及分類

淀粉基塑料是將改性后的淀粉與其他不同化合物或者單體進(jìn)行混合，在一定工業(yè)條件下，通過擠出或者鑄塑等塑料加工、發(fā)泡形成的熱塑性塑料。依據(jù)生產(chǎn)原料和加工方式不同主要分為淀粉填充型塑料、共混型淀粉塑料、全淀粉型塑料。淀粉填充型塑料是將改性后的淀粉、增溶劑和增塑劑等共混制成淀粉母料，將母料再與通用塑料共混制得。共混型淀粉塑料是淀粉與半纖維素、木質(zhì)素、纖維素、果膠、蛋白質(zhì)等天然高分子物質(zhì)可混合制備成完全可降解生物塑料制品。全淀粉塑料是指以天然淀粉為主體，對(duì)分子結(jié)構(gòu)處理，使其分子結(jié)構(gòu)變得無序化并形成具有熱塑性的淀粉樹脂，再加入適量的可降解助劑從而制備成生物全降解塑料。

1.2 淀粉基可降解塑料降解機(jī)理

淀粉基可降解塑料降解方式有三種：光降解、生物降解、光-生物降解。光降解是使大分子鏈斷裂成小分子，然后被微生物吞噬降解；生物降解通過微生物先吞噬淀粉基塑料中含有的淀粉，塑料比表面積大大增加，同時(shí)微生物分泌出的酶進(jìn)入到聚合物的活性位置并發(fā)生作用，致使聚合物的強(qiáng)度下降，另一方面添加的自氧化劑能與土壤中的金屬鹽反應(yīng)，切斷聚合物的分子鏈，增大比表面積的同時(shí)增加斷裂速度，微生物可進(jìn)一步使低分子不斷分解，最終生成二氧化碳和水直至被完全降解。光-生物降解塑料是指在淀粉基塑料產(chǎn)品制作時(shí)，日光、熱、氧，引發(fā)光敏劑、促氧劑等物質(zhì)，在降解過程中，微生物先把淀粉等生物降解劑降解，減弱高聚物基礎(chǔ)，使高聚物母體變得疏松，增大表面/體積比。添加助劑的光氧化自氧化作用導(dǎo)致高聚物的鏈被氧化斷裂，分子量下降最終并被微生物吞噬消化[1]。

2 淀粉基可降解塑料的應(yīng)用

淀粉基可降解塑料使用性能不斷優(yōu)化，使其具有廣闊的發(fā)展空間和良好的市場(chǎng)前景。目前在農(nóng)業(yè)、包裝材料、醫(yī)療等方面被廣泛使用。

2.1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

我國作為農(nóng)業(yè)大國，地膜被廣泛使用，可有效控制土壤濕度、溫度，防病蟲、抑制雜草，增加產(chǎn)量。國內(nèi)種地面積廣，對(duì)地膜需求量大，據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2015年我國地膜覆蓋面積達(dá)2.75億畝，使用量為145.5萬噸，10年后，預(yù)計(jì)地膜覆蓋面積增加為3.3億畝，使用量超200萬噸，同時(shí)每年新增20～30萬噸不可降解的殘留地膜[1]。這種傳統(tǒng)塑料地膜被廢棄后無法降解，留在田地污染土壤和地下水資源，并對(duì)農(nóng)作物生長有一定影響。目前，解決殘留地膜主要以機(jī)械回收和人工撿拾為主，不能長期、徹底清除殘留地膜，因而，最有效、可行的辦法為采用可降解地膜。其中，淀粉基可降解地膜研究相對(duì)較多，閆美珍等[2]為提高淀粉基塑料膜的可降解性能，將交聯(lián)淀粉進(jìn)行偶聯(lián)化疏水處理，處理后可明顯提高淀粉基塑料膜其耐水性、力學(xué)性能并降低吸水率。美國農(nóng)業(yè)部將含水40%～60%的膠化淀粉與乙烯丙烯酸共聚物共混制備可降解地膜。

農(nóng)業(yè)上化肥也是必不可少的一部分，但就傳統(tǒng)化肥來看，利用率低、成本高、化肥污染等問題嚴(yán)峻。淀粉基可降解塑料可用于制作農(nóng)藥、化肥等的緩釋基材，使有效成分緩慢釋放，解決了傳統(tǒng)化肥利用率低的問題。劉秉智等[3]利用改性后的淀粉為原料開發(fā)的包膜磷酸二氫銨二元緩釋劑肥料，這種肥料易被微生物吞噬降解，肥料養(yǎng)分利用率提高，減少了化肥污染，且該產(chǎn)品生產(chǎn)工藝簡單，價(jià)格低廉，具有良好的應(yīng)用前景。

2.2 包裝材料中的應(yīng)用

中國是包裝制造大國，塑料包裝在整個(gè)包裝產(chǎn)值中占近三分之一，傳統(tǒng)塑料因其優(yōu)異的使用性能，被廣泛應(yīng)用到生活中的方方面面。傳統(tǒng)塑料廢棄后很難降解，造成白色垃圾的形勢(shì)更加嚴(yán)峻。這些塑料制品若填埋會(huì)對(duì)土壤嚴(yán)重污染，影響農(nóng)作物生長；若焚燒產(chǎn)生的氣體對(duì)大氣和環(huán)境有一定污染；若回收利用，受風(fēng)化作用和自然磨損，會(huì)影響其二次使用性能。因而研究人員再次將研究方向定在可循環(huán)利用、環(huán)保、可降解的材料上。將天然淀粉與增塑劑共混制備的熱塑性淀粉具有較好的性能，其中，聚乳酸和熱塑性淀粉共混，被稱為21世紀(jì)最有前途的新型包裝材料。

果蔬包裝材料由于運(yùn)輸過程中時(shí)間較長，果蔬保質(zhì)時(shí)間短，需用保鮮膜延長儲(chǔ)存期?？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，淀粉基塑料保鮮膜具有良好的保鮮功能，楊月等[4]將木薯淀粉保鮮膜液涂抹在橘子表面后形成了一層薄薄無色的保鮮膜，從而達(dá)到延長橘子的貯藏期。隨著對(duì)可降解塑料的不斷研究和完善，其各方面性能將會(huì)不斷增強(qiáng)，逐漸替代傳統(tǒng)塑料。

一次性餐具方面，由于我國人口眾多，食品消費(fèi)總量巨大，用于食品包裝的非降解材料造成的環(huán)境污染非常嚴(yán)重。近年來，“互聯(lián)網(wǎng)+”正潛移默化地改變?nèi)藗兩罘绞?、消費(fèi)方式和行為習(xí)慣。網(wǎng)絡(luò)外賣以其實(shí)惠、便利等特點(diǎn)深受上班族與學(xué)生族的青睞，“懶人經(jīng)濟(jì)”和“快節(jié)奏生活”促進(jìn)了互聯(lián)網(wǎng)餐飲外賣的迅猛發(fā)展，只要輕松一點(diǎn)便能夠讓足不出戶的人們享受八方美食，但是每產(chǎn)生一份外賣產(chǎn)生的垃圾卻是呈現(xiàn)好幾倍的分量，比如就單獨(dú)任何一份外賣，有可能包括一次性塑料餐盒、塑料餐蓋、食品袋、塑料勺、飲料杯等廢棄物，數(shù)量更是驚人。且塑料是石油基產(chǎn)品，石油價(jià)格的波動(dòng)也造成塑料產(chǎn)品價(jià)格的不穩(wěn)定，而可降解材料的使用能很大程度上緩解對(duì)塑料制品的需求和環(huán)境壓力。

可降解餐具其主要成分為可降解塑料，目前公認(rèn)的最有希望的生物降解塑料主要有淀粉、聚丁二酸丁二醇酯、聚乳酸等，其中淀粉作為一種天然高分子化合物，豐富易得，價(jià)格低廉可再生且完全降解是最具潛力的可降解材料之一。但由于淀粉耐熱性差、成型加工困難，嚴(yán)重制約了淀粉材料的應(yīng)用，研究發(fā)現(xiàn)對(duì)淀粉改性使其具備熱塑性，并添加增塑劑可提高淀粉基可降解塑料的性能。目前市面上已研發(fā)的淀粉基可降解材料在力學(xué)性能方面還有待提高且生產(chǎn)成本高，不利于大批量生產(chǎn)，因而研發(fā)出一種耐熱、耐濕、機(jī)械性能好、生產(chǎn)成本低的淀粉基可降解材料具有實(shí)際意義。

2.3 醫(yī)療衛(wèi)生材料中的應(yīng)用

淀粉基材料具有可生物降解、安全性能高、無毒性等特性，在醫(yī)療上被廣泛應(yīng)用。一方面在醫(yī)療器材上可以應(yīng)用淀粉基材料，另一方面可在醫(yī)藥制備上利用淀粉基可降解塑料。

福建農(nóng)林大學(xué)[5]研發(fā)的一款用于包裝藥片的包裝容器。藥片瓶需要具有良好的避光性和密封性，有隔絕外部細(xì)菌和溫度等效果，并且對(duì)其安全性和無毒性要求較高。常見藥瓶一般是聚氯乙烯或玻璃瓶制得，這些藥瓶不能降解、同時(shí)存在藥物殘留等問題，但一些不良商家會(huì)非法低價(jià)收集被廢棄的塑料藥瓶進(jìn)行再次生產(chǎn)，制成一次性餐盒等產(chǎn)品出售獲利，這種產(chǎn)品對(duì)人體傷害極大。淀粉基可降解塑料可完全降解、無毒無害，若被用在藥瓶等醫(yī)療包裝材料上，是一種很好的選擇。利用淀粉基可降解材料制備的淀粉膠囊是公認(rèn)最具有潛力的新型膠囊產(chǎn)品。雷俊華等[6]使用蠟質(zhì)大米經(jīng)過化學(xué)改性得到改性淀粉，用此改性淀粉作為賦性劑應(yīng)用到布洛芬劑中，制得了一種耐高溫的布洛芬片劑。

生物基可降解塑料的代表是PLA，又稱聚乳酸，原材料主要為玉米淀粉，以PLA為原料制成的產(chǎn)品性能優(yōu)異，具有良好的生物相容性，還具有一定的耐菌性，阻燃性和抗紫外線能力，因此可用于醫(yī)用繃帶、一次性手術(shù)衣、醫(yī)療固定裝置、室外裝置物等方面，用途十分廣泛。

3 淀粉基可降解塑料存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)

3.1 存在問題

目前研制出的淀粉基可降解塑料的綜合性能如機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性、耐濕性等與傳統(tǒng)塑料性能相比仍有差異。在降解方面尚不能達(dá)到我們所期待的程度，大部分可生物降解的塑料是局部失重、碎裂成小碎片，并沒有完全消失。且成本較高，為保證其綜合性能，在制備過程中需添加輔助劑，導(dǎo)致成本上升，若想大范圍推廣在價(jià)格上受到一定限制。

3.2 發(fā)展趨勢(shì)

2020年我國出臺(tái)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)塑料污染治理的意見》再一次加大力度整治塑料污染問題，被市場(chǎng)稱為“禁塑令”，提出禁止限制使用的塑料制品，制定了具體的退出時(shí)間表，明確分2020年、2022年、2025年三個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)施，確保大量減少塑料制品的使用，意味著部分傳統(tǒng)塑料的需求將向可降解塑料轉(zhuǎn)移，若按照替代傳統(tǒng)塑料的50%計(jì)算，每年新增可降解塑料的需求為250萬噸，這是值得關(guān)注的新興領(lǐng)域。淀粉是生物基塑料最具價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)之一，在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中具有廣闊發(fā)展前景。淀粉基可降解塑料研究中應(yīng)關(guān)注以下3點(diǎn)：

(1)目前淀粉基可降解塑料的相容性是研究熱點(diǎn)，開發(fā)環(huán)境友好的相容劑，使淀粉與其他材料混合時(shí)相容性更高。

(2)提高淀粉基可降解塑料制品的綜合性能，使其應(yīng)用不僅局限在地膜、藥物膠囊、包裝材料等方面，應(yīng)開發(fā)更高端的市場(chǎng)。

(3)若將納米技術(shù)或新型材料應(yīng)用于生物淀粉基塑料，塑料制品的性能將會(huì)產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。

4 結(jié)語

淀粉基可降解塑料滿足減量化、再資源化、無害化等可持續(xù)發(fā)展要求，作為環(huán)境友好型材料，可有效緩解傳統(tǒng)塑料制品所造成石油資源匱乏、土壤的污染、地下水資源污染、白色污染等問題。因而淀粉基可降解塑料的研究意義重大，在全球都提倡綠色發(fā)展的前提下，如果淀粉基可降解塑料可以取代傳統(tǒng)的塑料，將為我國環(huán)境保護(hù)工作作出巨大貢獻(xiàn)。