第三章 高分子材料的降解
第三讲 环境降解高分子材料
环境降解高分子材料_概述
• 3.1 概述 • 塑料应用中存在的问题：
• 一是它的来源，绝大部分的塑料原料来源于石油化工， 而石油是一种不可再生的资源；
• 二是它在自然环境中很难分解，大量的废弃物成为了 环境污染的重要原因，也就是人们目前所称的“白色 污染”。
• 因此寻找一种可再生的塑料资源，进而解决其造成的 环境污染问题，成为塑料工业发展中的主要问题之一。
• 但目前大量使用的塑料材料如聚乙烯、聚丙烯等在自 然环境中是难于降解的，因此需对之进行改性或发展 新型的高分子材料。
• 降解塑料的发展：光降解塑料
•
填充型的降解塑料
•
全降解型塑料
环境降解高分子材料_概述
• 目前开发的降解塑料的种类： • ⑴ 光降解塑料 • 光降解塑料主要有两类，一类是引入光增感基团（合
最常见的有聚羟基脂肪酸、聚乳酸等, 其中聚乳酸的开发最为活跃。 通用聚乳酸是由玉米或甜菜中的糖类(包括淀粉与糖)经过发酵得 到乳酸再无溶剂聚合而制得。如果每㎏价格低至0.78～1.44＄, 有望用于包装材料。利用天然高分子材料，2000年悉尼奥运会使 用的全淀粉快餐盒、一次性杯子等。
2、环境惰性高分子：为不能生物降解的高分子, 在不发生氧化及 光解的情况下不会污染环境。现在使用的通用高分子主要属于这一 类。应用后的垃圾处理是一大问题, 处理不当就会污染环境。填埋、 焚烧、再生与回收使用是废塑料处理的几种方法, 其中再生与回收 使用应成为重要的途径。
4、长寿命材料 发展超长寿命的高分子材料, 是降低资源开发速度, 有效利用资源, 减少高分子材料废弃物的有效途径之一。尤其对于用量大、影响 深远的农用地膜、棚膜, 以及建筑用高分子材料等, 应考虑长寿命 问题。可通过优化配方和工艺设计、开发功能优异的塑料合金体 系等方法来实现。无论材料的短寿命还是长寿命, 都应以维持生态 环境和节约资源及提高利用率为最基本目标。 5、研发环境友好的新型高分子功能材料
第三章 (1) 高分子材料的物理化学性质
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（ii）pH敏感水凝胶 ：pH敏感性水凝胶是体积随环境pH值、 离子强度变化的高分子凝胶。这类凝胶大分子网络中具有可解 离成离子的基团，其网络结构和电荷密度随介质pH值的变化而 变化，并对凝胶的渗透压产生影响；同时因为网络中添加了离 子，离子强度的变化也引起体积变化。 一般来说，具有pH值响应性的水凝胶都是含有酸性或碱性侧 基的大分子网络，即聚电解质水凝胶。随着介质pH值、离子强 度的改变，酸、碱基团发生电离，导致网络内大分子链段间氢 键的解离，引起不连续的溶胀体积变化。
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热可逆性水凝胶 有些聚合物水溶液在室温下呈自由流动的液态 而在体温下呈凝胶态，即形成热可逆性水凝胶(TGR)。这一体系 能够较容易地对特定的组织部位注射给药，在体内环境下很快形 成凝胶。而且这种给药系统的制备较简单，只需将药物与聚合物 水溶液进行简单地混合。 如：聚环氧乙烷(PEO)与聚环氧丙烷(PPO)嵌段共聚物是已被批 准用于药用辅料的高分子，商品名叫普流罗尼(Pluronic)或泊洛沙 姆(Poloxamer)，依据其结构和浓度，这类聚合物存在两个临界相 转变温度，即溶液-凝胶转变温度(相当于LCST)和凝胶-溶液转变 温度，在这两个温度之间其水溶液呈现凝胶状态。利用这类共聚 物水溶液低温溶液状态混合药物，尤其是生物类药物，注人体内 形成凝胶，从而实现控制药物释放同时保护药物活性的功能。
高分子材料的生物降解性能研究
高分子材料的生物降解性能研究高分子材料是现代工业和生活中常见的材料之一，广泛应用于制造塑料、橡胶、纤维等产品。
然而，由于高分子材料大多数都是由石油等非可再生资源制成，且难以降解，所以加速高分子材料的生物降解性能研究变得尤为重要。
本文将探讨高分子材料的生物降解性能的研究进展。
一、什么是高分子材料高分子材料是指分子量超过10000的高聚物，它们通常是由重复的单体分子组成。
常见的高分子材料有聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚氯乙烯等。
高分子材料具有优良的物理化学性能，如强度高、耐磨、耐腐蚀等。
因此，高分子材料在包装、建筑、电子、医疗等领域得到了广泛应用。
二、高分子材料的生物降解性能高分子材料的生物降解性能是指高分子材料被微生物、植物或动物等生物体分解成可被环境消化的物质的速度和程度。
高分子材料的生物降解性能取决于以下因素：1. 高分子材料的结构和成分。
高分子材料的结构和成分决定了它的降解性。
一些高分子材料的结构和成分比较简单，降解性较好，例如淀粉酯等。
而其他高分子材料的结构和成分较复杂，例如塑料、合成纤维等，降解性较差。
2. 环境因素的影响。
环境因素也影响高分子材料的生物降解性能。
例如，温度、湿度、光照等因素都会对高分子材料的降解速度和程度产生影响。
3. 生物种类的不同。
不同种类的微生物对高分子材料的生物降解性也有影响。
有些微生物可以将高分子材料降解成较小的分子，然后再将其降解为二氧化碳和水，例如某些细菌和真菌。
而某些微生物只能将高分子材料降解成较小的分子，例如堆肥微生物。
三、高分子材料的生物降解性能研究现状高分子材料的生物降解性能研究已经进行了多年，研究成果显示，一些高分子材料的降解速度和程度可以得到改善。
以下是一些最新的研究成果：1. 改变高分子材料的结构和成分。
研究人员通过改变高分子材料的结构和成分，使得其生物降解性能得到改善。
例如，利用淀粉等天然物质制作的生物降解塑料已经获得了商业应用。
2. 引入生物降解功能单体。
高分子材料的生物降解性能表征
高分子材料的生物降解性能表征摘要：高分子材料的生物降解性能评价对于可持续发展和环境保护具有重要意义。
通过对高分子材料的降解行为进行深入研究和表征，可以为材料设计和选择提供指导，并为推动替代传统塑料的可降解材料的应用提供理论和实践基础。
随着科学技术的不断发展和进步，相信会有更多的方法和技术被开发和应用于高分子材料的生物降解性能表征，从而推动可持续发展和环境友好型材料的发展。
关键词：高分子材料；生物降解；性能表征引言高分子材料的生物降解性能是指在自然环境下，通过微生物或酶等生物作用使高分子材料逐渐降解为低分子化合物，进而被生物体转化或吸收的过程。
降解性能是评估高分子材料环境友好性的重要指标之一。
本文将介绍几种常见的用于表征高分子材料生物降解性能的方法和技术。
1高分子材料的定义高分子材料是由由重复单元组成的巨大分子量化合物，它们在结构上具有一定的连续性和有机亲和性。
这些分子由许多相同或类似的单体通过共价键相互连接而形成。
高分子材料可以是天然的，如天然橡胶、纤维素等，也可以是合成的，如聚乙烯、聚丙烯等。
高分子材料通常具有独特的物理和化学性质，如高分子链的柔韧性、可塑性、耐潮湿性、耐腐蚀性、绝缘性等。
它们广泛应用于各个领域，如塑料制品、纺织品、电子产品、医疗器械等。
高分子材料的特点包括多样性、可调性和可定制性，能够根据需要进行定制设计和制备，从而满足不同行业和应用的需求。
高分子材料的研究和应用为科技进步和社会发展做出了重要贡献，并在推动可持续发展和环境保护方面发挥着积极作用。
2高分子材料的生物降解性能评价指标2.1降解速率高分子材料的降解速率受多种因素影响，如材料类型、化学结构、分子量、晶体度、温度等。
一般来说，聚酯类和淀粉类高分子材料的降解速率较快，而聚乳酸、聚己内酯等高分子材料的降解速率较慢。
为了提高高分子材料的生物降解性能，可以通过改变材料的化学结构、控制分子量和晶体度等方式来调控其降解速率。
2.2降解产物高分子材料在生物环境中降解后会产生一些降解产物，这些产物对环境的影响程度也是评价高分子材料生物降解性能的一个重要指标。
高分子材料的光降解和光氧化过程
高分子材料的光降解和光氧化过程摘要：高分子材料是现代社会广泛应用的全能新材料，它为现代社会的发展奠定了重要的基础，为高科技的不断创新提供了不竭动力。
高分子材料在自然环境中暴露,就会逐渐发生老化,引起老化的外界因素有日光、臭氧、氧、雨、雪、温度、湿度等。
本文分析了高分子材料的光降解和光氧化过程。
关键词：高分子材料；光降解；光氧化过程日光辐射的紫外光能量是引发高分子材料光氧老化的主要因素。
通常日光在空间的能量分布可以延伸到2 00毫微米以下,但是由于大气臭氧层的吸收作用,使到达地球表面辐射能的波长,几乎都在29 0毫微米以上一、高分子材料的概述生命体是由高分子组成的，高分子是由数个原子共价键链接的大分子，高分子的分子量具有数量多、易分散的特点。
我们通常把有相对较高分子质量的高分子化合物看作高分子材料的基础。
高分子材料无处不在，例如纤维（丙纶、涤纶、棉纶、腈纶）、橡胶（乙丙橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、丁苯橡胶）、塑料（PS、PE、PVC、PP）等等，高分子材料已经深入到了我们的日常生活中。
高分子材料有很多优点，如弹性高、质量轻、绝缘性好、密度小，并且还具备耐磨性、耐腐蚀性以及耐热性等多种性能。
通过对其深入的研究与分析，使我们可以利用科学技术创造新的高分子材料，进而为人们的生活提供便利，促进社会的发展。
二、高分子材料的发展史高分子材料按来源分可以分为3种：第一种是天然高分子材料；第二种是半合成的高分子材料；第三种是合成的高分子材料。
天然高分子材料构成了生命体，是生命体的源头，也是生命体进化的基础。
人类早在远古时代就开始使用兽皮、树枝等天然高分子材料。
随着时代的发展，人类对天然高分子材料进行加工，从而得到了纸张、棉织物、树胶等材料，大大提高了人们的生活质量。
19世纪，人类对高分子材料的探索进入了新的阶段，通过化学技术加工天然高分子材料，进而研发了半合成高分子材料。
20世纪初，人类合成了高分子酚醛树脂，这标志着合成高分子材料时代的到来。
高分子材料的生物降解性能与机理
高分子材料的生物降解性能与机理随着全球对环境保护意识的增强，对可持续发展的需求也日益迫切。
高分子材料的生物降解性能成为了一个备受研究关注的热点。
本文将探讨高分子材料的生物降解性能与机理。
一、生物降解性能的定义与重要性生物降解性是指高分子材料在自然环境中被微生物、酶或其他生物体分解为较小的分子，最终转化为无害的物质。
与传统的塑料材料相比，具有良好生物降解性能的高分子材料能够有效减少对环境的污染，并且能够循环利用，具有重要的经济和环境意义。
二、高分子材料的生物降解机理高分子材料的生物降解机理主要包括微生物降解、酶降解和环境因素影响等。
1. 微生物降解微生物降解是指高分子材料通过微生物代谢途径被分解为小分子的过程。
微生物主要通过分泌酶来降解高分子材料，将其分解为低分子量的物质，再通过代谢途径进行进一步的降解。
不同类型的高分子材料对微生物的降解能力存在差异，一些高分子材料具有较好的微生物降解性能，而另一些则需要经过一定时间才能被微生物降解。
2. 酶降解酶降解是指高分子材料通过酶的作用被分解为小分子的过程。
酶是一种催化剂，能够加速高分子材料的降解速度。
酶降解主要通过酶的剪切作用或水解作用将高分子链断裂，使高分子材料分解为低分子量的产物。
不同类型的酶对高分子材料的降解能力也存在差异，因此选择适合的酶对高分子材料的降解具有重要意义。
3. 环境因素影响环境因素对高分子材料的生物降解性能也具有重要影响。
温度、湿度、氧气浓度等环境因素都会影响微生物和酶的活性，从而影响高分子材料的降解速度。
一般来说，较高的温度和湿度以及充足的氧气能够促进高分子材料的降解，而干燥和低温环境则会降低降解速度。
三、提高高分子材料的生物降解性能的方法为了提高高分子材料的生物降解性能，研究者们采取了多种方法。
1. 添加生物降解助剂生物降解助剂是一种能够加速高分子材料降解的添加剂。
通过添加生物降解助剂，可以改变高分子材料的结构和性质，使其更易于被微生物或酶降解。
高分子降解机理
高分子降解机理引言高分子材料在现代社会中得到广泛应用，但随之而来的是高分子废弃物的大量产生，给环境带来了巨大压力。
为了解决这一问题，人们开始研究高分子的降解机理，以期能够开发出可持续发展的高分子材料和降解方法。
本文将探讨高分子降解的机理，并介绍一些常见的高分子降解方法。
一、高分子降解的基本原理高分子材料的降解是指高分子链的主链或侧链在外界条件的作用下发生断裂的过程。
高分子的降解可以是自然降解，也可以是人工加速降解。
无论是自然降解还是人工加速降解，高分子降解的基本原理都是相似的。
1.1 热降解热降解是指在高温下，高分子的键被破坏，从而导致高分子链的断裂。
高温可以提供足够的能量，使高分子链中的键发生裂解。
热降解是一种常见的高分子降解方法，可以通过控制加热温度和时间来实现高分子材料的降解。
1.2 光降解光降解是指在光照条件下，高分子链发生断裂。
光降解通常是指紫外光降解，紫外光具有较高的能量，可以激发高分子链中的键，导致链的断裂。
光降解在日常生活中也得到了广泛应用，比如太阳光照射下塑料制品的老化。
1.3 化学降解化学降解是指高分子材料在化学物质的作用下发生断裂。
化学降解可以通过在高分子链中引入易于断裂的键，或者引入具有降解活性的化学物质来实现。
化学降解可以根据不同的化学物质选择适当的反应条件，实现高分子的降解。
二、常见的高分子降解方法为了实现高分子材料的降解，人们开发了多种降解方法。
下面将介绍一些常见的高分子降解方法。
2.1 生物降解生物降解是指高分子材料在生物体内或生物体的作用下发生降解。
生物降解是一种可持续的降解方法，通过利用微生物或酶的作用，将高分子材料降解为可溶性低分子物质。
生物降解可以在自然环境中进行，也可以在工业条件下进行。
2.2 水解降解水解降解是指高分子材料在水的作用下发生降解。
水解降解是一种常见的降解方法，可以通过调节水的温度、pH值和反应时间来控制降解速度。
水解降解可以将高分子材料降解为可溶性低分子物质，从而实现高分子的降解。
高分子化合物的降解与环境影响
高分子化合物的降解与环境影响高分子化合物是一类具有特定结构和性质的化学物质，这些物质在自然界中广泛存在，并在各个领域得到广泛应用。
然而，高分子化合物的降解过程以及降解产物对环境的影响引起了人们的关注。
本文将探讨高分子化合物的降解过程和降解产物对环境的影响。
一、高分子化合物的降解过程高分子化合物的降解是指其在自然环境或工业处理过程中发生结构改变、分子链断裂和降解产物生成的过程。
高分子化合物的降解过程受到多种因素的影响，包括温度、光照、湿度、微生物和化学物质等。
1. 温度影响：温度是高分子化合物降解速率的重要影响因素。
一般来说，较高的温度可以加速高分子化合物的降解速率，而低温则会减缓降解速率。
2. 光照影响：光照可以促进高分子化合物的降解，特别是在紫外光照射下，许多高分子化合物易受到光解反应的影响。
3. 湿度影响：湿度对高分子化合物的降解速率也有一定影响，较高湿度下的高分子化合物更容易吸收水分并发生降解反应。
4. 微生物影响：许多微生物可以分泌特定酶类来降解高分子化合物，这种生物降解过程是高分子化合物在自然界中降解的重要途径。
5. 化学物质影响：某些化学物质，如有机溶剂、酸碱等，可以加速高分子化合物的降解速率。
二、高分子化合物降解产物对环境的影响高分子化合物的降解产物可能对环境造成潜在的影响，包括对水体、土壤和生物等。
1. 对水体的影响：高分子化合物的降解产物可能使水体受到污染，导致水质下降甚至对水生生物产生毒性影响。
2. 对土壤的影响：降解产物中的化合物可能在土壤中残留并导致土壤质量下降，对植物生长和土壤微生物活性产生影响。
3. 对生物的影响：部分高分子化合物的降解产物可能对生物产生毒性，威胁生物的生存和繁衍。
三、高分子化合物降解与环境保护高分子化合物的降解与环境保护密切相关。
为了减少高分子化合物对环境的负面影响，需要采取相应的措施。
1. 开发环境友好型高分子材料：通过开发环境友好型的高分子材料，减少高分子化合物的使用和排放，以降低对环境的影响。
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一、高分子材料降解方式
1、降解形式
(2)解聚 解聚反应是先在大分子末端断裂，生产活性较低的自由基，然后按
连锁机理迅速脱除单体。如聚甲基丙烯酸甲酯的解聚反应。
分解特点是分解初期，质量减少非常快，而相对分子质量减少并没有那 么快。人们可以通过对高分子末端的封端，来阻止由于解聚而引起的质
量减少和相对分子质量的降低。
第三章 高分子材料的降解
绿色高分子的定义
相对于常规高分子材料来说，在材料合成、制造、加工和使用过程中不 会对环境产生危害（如污染或破坏环境），也称环境友好高分子材料。
广义的讲，具有耐用、性价比高、易于清洁生产、可回收利用和可环境 消纳等性能的高分子材料, 都属于绿色高分子材料研究开发和推广的范畴。 环境可降解高分子是绿色高分子材料中重要的一部分。
2、降解作用方式
Hale Waihona Puke 4) 生物降解生物降解是材料被细菌、霉菌等作用消化吸收的过程，大致有 三种作用方式: (1)生物的物理作用—由于生物细胞的增长而使物质发生机械性的毁坏; (2)生物的化学作用—微生物对聚合物的作用而产生新的物质; (3)酶的直接作用—微生物侵蚀部分导致塑料分裂或氧化崩裂。
二、降解高分子的分类与原理
可降解高分子材料 可降解高分子高分子材料概念材料是相对通用高分子而言的，广义上认
为，材料在使用废弃后，在一定条件下会自动分解而消失掉。严格地说，降 解材料是在特定的环境条件下，其化学结构发生显著变化并造成某些性能下 降的能被生物体侵蚀或代谢而降解的材料。
二、降解高分子的分类与原理
高分子材料的自然降解包括生物降解和非生物降解两大类。非生物降解 又包括光降解、热降解、氧化降解、水解等。从环保的角度考虑，生物降解 材料及生物降解与非生物降解相结合的材料更受欢迎。国内外已相继开发出 了不少产品。
① 光屏蔽剂
能反射紫外光，防止透入聚合物内部，减少光激发反应。例如，15~25
nm碳黑很有效，兼有吸收紫外光和抗氧老化的作用
② 紫外光吸收剂
它们实际上起能量转移的作用。
③ 淬灭剂
通过分子间作用转移激发能量。主要是二价镍有机螯合剂。淬灭反应
式为：
A* + D
A + D*
A + D+
淬灭剂
一、高分子材料降解方式
PH O2 P OOH
P O2 POO RH POOH P
POOH h PO OH
聚烯烃的光氧化有自动催化效应，可能是氧化产物起着光敏剂的作用。
一、高分子材料降解方式
为减缓/防止聚合物光降解和光氧化，工业上常使用光稳定剂。按照作
用机理不同，光稳定剂可分为如下三类。
二、降解高分子的分类与原理
在4种降解高分子中，生物降解高分子随着现代生物技术的发展越来越 受到重视，成为研究开发的新一代热点。
生物降解高分子根据降解机理和破坏形式可分为完全生物降解高分子和 生物破坏性高分子两种。
①完全生物降解高分子：指在微生物作用下，在一定时间内完全分解为 二氧化碳和水的化合物。 ②生物破坏性(或称崩解)高分子：指在微生物的作用下高分子仅能被分 解为散乱碎片。
降解性高分子按降解机理分类： 1. 生物降解高分子 2. 光降解高分子 3. 光-生物降解高分子 4. 水降解高分子
二、降解高分子的分类与原理
1. 生物降解高分子：
生物降解性概念 按美国材料与试验协会（ASTM）定义认为生物降解材料是指通过自然界
微生物(细菌、真菌等)作用而发生降解的高分子。一般来说，生物降解高分 子指的是在生物或生物化学作用过程中或生物环境中可以发生降解的高分子。
包括以上三大降解综合
一、高分子材料降解方式
1、降解形式
高分子的降解主要是主链的断开
(1)无规断链 ； (2)解聚 ； (3)弱键分解; (4)侧基或低分子物的脱除; 。。。。。。。
一、高分子材料降解方式
1、降解形式
(1)无规断链 分解高分子链中的化学键具有任意性，从生物化学角度来讲，属于随
机行酶的作用分解，即聚合物主链任何处都可能断裂。其特点是降解初期 相对分子量减少相当快，而质量减少较小。如聚乙烯断链后，形成的自由 基活性很高，四周又有较多的二级氢，易发生链转移反应，可以用分子内 的“回咬”机理来说明。
降解性：指在一定的使用期内，具有与普通塑料同样的使用功能，
超过一定期限以后其分子结构发生显著变化，造成某些性能下降，并能 自动降解而被自然环境同化。
1、降解形式
高 分 子 降 解
一、高分子材料降解方式
生物降解 化学降解
物理化学降解 环境降解
微生物酶作用降解 氧化降解 臭氧降解 加水降解 热降解 光降解 放射线降解 超声波降解 机械降解
一、高分子材料降解方式
含有可水解基团的聚合物，还可进行醇解、酸解和胺解，还易受碱的 腐蚀。
化学降解也可加以利用
例如使杂链聚合物转变为单体或低聚物，天然聚缩醛——淀粉酸性 水解，可制葡萄糖：
(C6H10O5)n
n 2
C12H22O10
nC6H12O6
一、高分子材料降解方式
2、降解作用方式
3）光降解和光氧化 300~400 nm的紫外光仅使多数聚合物呈激发态而不离解。但有氧存在， 则被激发的C-H键易被氧脱除，形成氢过氧化物，然后按氧化机理降解。
一、高分子材料降解方式
1、降解形式
(3)弱键分解 高分子化学键中相对与普通化学键较弱的化学键
(4)聚取代基的脱除 聚氯乙烯等收到外界作用，取代基将脱除
1、降解形式
一、高分子材料降解方式
降解反应受热、机械力、超声波、光、氧、水化学 药品微生物等物理化学因素影响。降解本身由聚合物和
外界因素决定
一、高分子材料降解方式
2、降解作用方式
1）机械降解 聚合物塑炼、熔融挤出，以及高分子溶液受强烈搅拌或超声波作
用时，都有可能使大分子链断裂而降解。 聚合物机械降解时，分子量随时间的延长而降低，如下图
聚苯乙烯的特性粘数与研磨时间的关系×-20℃； ○-40℃； ·-60℃
一、高分子材料降解方式
2、降解作用方式
2）化学降解 聚合物与化学试剂作用引起的降解反应。 是否发生? 以及进行的程度，决定于聚合物的结构及化学试剂的性质。 水解反应是最重要的一类化学降解反应。 聚烯烃一般对水较稳定， 杂链聚合物（如聚酯、聚酰胺、聚缩醛、多糖和纤维素等）在温度较高 ，湿度较大时，易发生水解使聚合度降低。该过程一般为无规裂解过程。