塑料包裝材料降解的基本原理
2006-09-18 12:00 來源:中華印刷包裝網 責編:中華印刷包裝網
目前生產的可降解塑料,并不意味著整個包裝廢料全部消失為二氧化碳和水。其基本原理還是通過死的生物體受微生物和霉菌的作用,產生二氧化碳和腐殖質,而二氧化碳和腐殖質再對塑料產生作用。沒有靈丹妙藥可以完全解決塑料垃圾問題,循環使用和焚化是兩種比較有效的處理方法。
塑料本身沒有天生的生物分解能力,強度和牢固程度決定了它們的穩定性。無論在陸地,還是海洋,塑料都不受外界影響,絲毫沒有分解的可能性。唯一的辦法是改變實用塑料的原料,使之丟棄后在一定的環境條件下即可分解,并被吸收進入生物大氣層的自然碳化環境。
設計者在合成聚合物的主要成分時必須綜合考慮到光學,生物,化學連鎖反應的引發,以及結合等各個方面。挑選一種能使以上各方面都具備條件的材料作為添加劑與塑料摻在一起,可以改變塑料的結構,達到丟棄后分解,并被生物大氣層吸收的目的。關鍵是包裝容器在正常使用的情況下,分解過程絕對不能引發。
降解塑料主要有生物分解,光分解和化學分解三種類別。三種分解過程互不相關。只有在分解過程的某一階段,三者可能發生關系。這些分解過程可以根據環境條件和樹脂的使用,以一種協調,統一和連貫的方法進行控制。在包裝中降解塑料的適用性問題還有很大的意見分歧?磥砉I方面標準化的程度很重要。
材料的生物分解主要是微生物的作用。以淀粉為基礎的生物分解塑料頗受歡迎。特殊種類的降解塑料也受到設計人員的重視。對塑料來說,最重要的微生物是細菌和霉菌。微生物引起的分解主要有三種類型:
1.生物物理作用,細菌繁殖引起材料結構破壞。
2.生物化學作用,微生物體作用于聚合物。
3.直接酶的作用,微生物產生的酶破壞塑料產品成分,使之分裂或氧化,最后分解。
有些聚合物,如已內酰胺和多羥基丁酸鹽/戊酸鹽必須得到酶的直接作用。由于成本和加工程序的原因,這些材料至少目前只能比較多地用于醫療方面的特殊需要。
最常用的添加劑是膠狀和顆粒狀淀粉,它們比較適合于日用品塑料。在這些添加劑系列中,雖然淀粉和塑料物品會被分解,但還必須加入催化劑,以足使聚合物鏈破壞,加速變形分解。只要測量產品物理性能的變化,研究薄膜的化學變化,或確定生物的活動能力,即可得出材料的分解性能。
淀粉與加入某種添加劑的塑料結合可使這種淀粉的親水性變成疏水性。這種淀粉然后能干燥得只剩百分之一還不到的濕度。通常淀粉的濕度是10-12%。有幾種不同的淀粉都可以達到同樣的目的。已經廣泛使用的小麥淀粉和玉米淀粉具有這種效果,大米淀粉的分子尺寸也符合產品的需要。一種脂肪酸或自動氧化劑可加入進去促進分解。分解是兩種過程相互作用的結果。
淀粉以顆粒狀呈現在聚合物內。這些顆粒受到細菌和霉菌等微生物的攻擊后被完全驅除。這就削弱了聚合物矩陣,大大增加了塑料的表面積。第二種過程是在與土壤中,或淡水,海水中的金屬鹽接觸以后,自動氧化形成過氧化物后引起的。這些過氧化物破壞了聚合物鏈。第一種過程引起的塑料表面積增加,大大促進了第二種過程的速度。
另外,濕度,含量,微生物種類,溫度,PH值,金屬鹽,聚合的相對比例,混合物成分,聚合物種類,以及包裝的表面積和厚度等都對分解起作用。
酮類聚合物可分解聚苯乙烯。這種聚合物的鏈上有一些對紫外線光敏感的特殊基團。紫外線引起鏈斷裂,使原來結構分成較小的單位,以至塑料制品變脆而分解。這種技術結合裝在制品中的定時材料,可控制在陽光下的分解開開始。因此,常規樹脂只要加上這些共聚物,即可使塑料制品分解。分解速度與共聚物的級別有關。級別越高,分解越快。
三羥基丁酸和三羥基戊酸的線性聚酯是新開發出來的聚合物,是一些從農業原料中提取的與環境相容的熱塑性塑料。當初目的是要從天然原料中提取一種或幾種非生物分解型聚合物。但研究的過程中卻轉向于細菌型,原料用作喂養細菌。最后干脆把目標瞄準細菌,仔細控制一種有機酸和糖的混合原料--聚羥丁戊酸。
聚羥丁戊酸的關鍵性能是生物分解性,生物相容性和自然性。它的一般物理性能均與其它普通聚合物相似。這些聚合物有一定的應用范圍,其中包括特殊包裝方面。聚羥丁戊酸瓶,薄膜,涂塑紙板等都可用于包裝,特別是它們優良的防油性能更適合于食品包裝方面。
生物分解聚乙烯薄膜,其厚度低于千分之一密耳,強度性能與普通聚乙烯一樣,甚至于更好。在聚乙烯中加入添加劑,包括非離子型有機溶液的自動氧化劑和非離子型紫外線光穩定劑,可以生產出光降解薄膜。一種是鐵復合物,另一種是鎳或鈷復合物。兩種成分以不同的比例組合可制成不同分解速度的材料。有些材料光照三十天即可分解。有些用于農業作物復蓋的薄膜可在四至六個月內分解。這些薄膜在一定天數的光照以后埋入土壤,分解過程還會繼續。光降解薄膜使用的添加劑與生物降解材料使用的淀粉完全不一樣,但光降解聚乙烯的薄膜性能實質上與普通聚乙烯一樣。薄膜強度性能不變,熱影響和質量性能實際上也不變。
水溶性薄膜可以在水中完全徹底分解。這是一種優質韌性薄膜,厚度千分之十五密耳,沖擊強度500克以上,透明度極佳,霧度4%,光澤度78%。這種薄膜有一種優良的保持香味的性能,防堿,防油脂,與大多數溶劑都不發生作用。但在二十五度的水中它能四十五秒鐘內全部溶解。
埋入土壤或焚化處理的包裝廢棄物和垃圾袋還有許多問題沒有解決,其中包括生物添加劑問題。可能在混合肥料,海洋或農業方面可以使用,更廣泛的領域比較困難。主要是缺乏標準,害怕過早分解,影響循環再使用,產生副產品,或分解可能不發生,等等。如果塑料袋還在使用階段就受到各種氣候或其他條件的影響開始分解,或包裝袋在雜貨倉庫的貨架上開始分解,那將必然是一種災難。如果分解添加劑在土中喪失積極作用,生物分解就不能迅速發生。降解期限會變成亂扔垃圾袋的“合法依據”。 (peter)
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