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上海世博会的高科技明星之可降解塑料

发布时间:2019-03-20 10:22

  当你来到上海世博会,你会多次与这位明星邂逅。当你喝水、吃饭时可能会遇到它,当你看路牌时可能会遇到它,甚至当你在为亲朋好友购买纪念品时也会遇到它――玉米塑料。上海世博会期间不仅一次性餐具用生物质材料玉米塑料制成,上海世博会上使用的路牌、胸卡、磁卡甚至纪念品外包装等也是用玉米塑料制成,彰显了绿色世博的精神。


  让人欢喜让人忧的塑料


  塑料诞生于一百多年前。第一种合成塑料是由美籍比利时人列奥?亨德里克?贝克兰发明的。1907年7月14日,他注册了酚醛塑料的专利。从那之后,被称为“千用材料”的合成塑料开始深入到人们生活的方方面面。特别是在迅速发展的汽车、无线电和电力工业中,它被制成插头、插座、收音机和电话外壳、螺旋桨、阀门、齿轮、管道等。在家庭中,它出现在把手、按钮、刀柄、桌面、烟斗、保温瓶、电热水瓶、钢笔和人造珠宝等上面。从煤焦油那样的廉价产物中,得到用途如此广泛的材料,这样的发明,曾使人们一度欣喜若狂。


  如今世界塑料年总产量已超过1.7亿吨,用途渗透到国民经济和人们生活的各个领域,和钢铁、木材、水泥并列为四大支柱材料。塑料的用途小到我们生活中经常使用的小塑料袋、塑料盆等,大到国防中的飞机、火箭等。


  然而,随着塑料产量不断增长和用途不断扩大,其废弃物也日益增多。由于塑料在自然环境中难以降解、腐烂,严重污染了环境。由大量的废弃塑料袋、一次性餐具产生的“白色垃圾”问题已成为“百年难题”,令众科学家头痛不已。在这种背景下,各种可降解塑料应运而生。


  【知道多一点】


  一般来讲,塑料除了热降解以外,在自然环境中的光降解和生物降解的速度都比较慢。用碳l4同位素跟踪塑料在土壤中的降解,结果表明,塑料的降解速度随着环境条件(降雨量、透气性、温度等)的不同而有所差异,但总的而言,降解速度是非常缓慢的,通常认为需要200~400年。


  可以降解的塑料


  可降解塑料是指在较短的时间内、在自然界的条件下能够自行降解的塑料。


  普通合成塑料不易降解是因为高分子聚合物中的碳氢分子长链十分牢固,无论阳光、热量、细菌都难以破坏。为了解决塑料降解这个难题,科学家想出了不少好办法。其中一种方法是在塑料生产过程中加入一定量的添加剂,比如淀粉、改性淀粉或其他纤维素、光敏剂、生物降解剂等,使塑料的稳定性下降,成为较容易在自然环境中降解的塑料。目前世界上许多国家都在积极开展这方面的研究,并已有许多产品问世。


  这类可降解塑料制品在使用完并废弃在大自然中暴露三个月后,可由完整的形状分解成碎片,因而至少在视觉上改善了环境。但这项技术的最大缺陷是,这些碎片很难继续降解,只不过由大变成小,不能从根本上解决白色污染。所以,现在各国重点研究的是可完全降解的生物塑料。其中比较时尚的有上海世博会上的玉米塑料、微生物发酵合成塑料,以及利用基因技术种出来的生物塑料。


  【知道多一点】


  可降解塑料一般分为四大类:


  1.光降解塑料――在塑料中掺入光敏剂,在光照下使塑料逐渐分解掉。它属于较早的一代降解塑料,其缺点是降解时间因光照和气候变化难以预测,因而无法控制降解时间。


  2.生物降解塑料――指在自然界微生物(如细菌、霉菌和藻类)的作用下,可完全分解为低分子化合物的塑料。其特点是贮存、运输方便,只要保持干燥,不需避光,应用范围广,不但可以用于农用地膜、包装袋,而且可广泛用于医药领域。


  3.光生物降解塑料――光降解和微生物降解相结合的一类塑料,它同时具有光和微生物降解塑料的特点。


  4.水降解塑料――在塑料中添加吸水性物质,用完后弃于水中即能溶解掉,主要用于医药卫生用具方面(如医用手套等),便于销毁和消毒处理。


  在这四类降解塑料中,生物降解塑料随着现代生物技术的发展越来越受到重视,成为研究开发的新热点。


  我为玉米狂


  上海世博会上采用的玉米塑料,就是一种可完全降解的塑料。玉米塑料的学名叫聚乳酸。由于这种聚乳酸是由玉米提取液制得的,所以称这种塑料为“玉米塑料”。


  制造玉米塑料的原理并不复杂,它是以玉米为原料,经现代生物工程技术生产出无色透明的液体――乳酸,乳酸再经特殊的化学聚合反应过程生成颗粒状高分子聚酯材料――聚乳酸(英文简称为“PLA”)。聚乳酸具有与现代化工塑料相似的物理特性。


  玉米塑料最大的优点是废弃后可采用堆肥填埋处理,在自然界微生物的作用下彻底分解为水和二氧化碳,不污染环境,还可当做有机肥施入农田,成为植物养料。


  除了在上海世博会上广泛应用外,在我们日常生活中,玉米塑料如今已经应用于水果蔬菜、鸡蛋、熟食和烘烤食品的硬包装,以及三明治、饼干和鲜花等商品的软包装上,还有将玉米塑料吹塑成瓶子用于包装水、汤、食品和食用油等方面的应用。一些汽车制造商(如日本的丰田公司)正在进行将玉米塑料和其他可生物降解塑料应用于未来轿车的研究。


  【知道多一点】


  其实生产聚乳酸的原料不仅仅是玉米,多种作物都可以用于提取乳酸,比如土豆等。如果是由土豆提取液提取的聚乳酸颗粒制成的塑料,就叫“土豆塑料”了。因此,把聚乳酸称为“生物质塑料”更为恰当。聚乳酸的降解分为两个阶段,第一阶段是它的酯基团逐步水解成为乳酸和其他小分子,然后这些小分子被环境中的微生物所分解,最终变成二氧化碳和水。


  养细菌收塑料


  说完玉米塑料,再来说一说另一种时尚的生物塑料――微生物发酵合成的可降解塑料。前面说了,玉米塑料是经现代生物工程技术和特殊的化学聚合反应过程得到的,而这种生物塑料则是通过培养细菌来获得。


  科学家发现一些生活在土壤、污水处理池和海洋中的细菌,犹如一座座“微型塑料加工厂”,它们在不平衡生长条件(如缺乏氮、磷、氧等)下会合成一种碳源储藏性聚合物,作为细菌体内应付食物紧张而储存原料的物质,储存在体内。而这种聚合物具有类似于化学合成塑料的理化性质,能拉丝、压膜、注塑,而且无毒无害。


  于是科学家就“喂”这些细菌玉米的糖分和氧气,然后,利用某种方式,将细菌体内的这些聚合物颗粒提取合成,就能制成“生物塑料”,加工成形状各异、用途不同的塑料制品。


  这种生物塑料除了可以制成比赛场馆的座椅外,还能制成表层涂着生物塑料材料的防漏纸杯、纸碗,还有梳子、圆珠笔等日常用品,甚至还可以在农药缓释剂、高性能生化滤膜、医药缓释长效药物载体以及骨钉、手术缝合线、人体整形填充材料等方面大显身手。这些生物塑料制品的外观与手感同普通塑料制品完全一样,拿在手中,你很难将它们和细菌联想到一起。


  这些生物塑料用品使用完后,只要把它们扔到细菌足够多的地方,如臭水沟或垃圾场,细菌就会将其吃掉。它们还可以和别的垃圾一起回收堆放,在堆放过程中就会慢慢消失。


  也许有人会担心,生物塑料制品会不会在正常使用的过程中就自己消失了呢?专家说,这种情况实际上不会出现,因为日常环境下没有那么多细菌,所以不必担心生物塑料制品在常态下自然消失。


  【知道多一点】


  微生物发酵合成塑料是一种重要的完全生物降解塑料,它是以有机物为碳源,通过微生物的发酵而得到的生物降解塑料。微生物塑料以生物资源为原料,取代了不可再生的化石资源(如石油和煤炭等)可以节约能源、保护环境,实现资源与环境的可持续发展。因此它在农业、医药、环保、光学、电学等领域有着广阔的应用前景,从而成为应用环境生物学方面研究的热点。


  把塑料种出来


  俗话说:“种瓜得瓜,种豆得豆。”有一群科学家正在进行“种玉米收塑料”的研究。这就是最新的可降解塑料生产方法――利用基因技术把降解塑料“种”出来!


  前面说过,许多细菌能产生聚乳酸颗粒,食用并储存,而这种物质具有塑料的特征。科学家于是利用基因移植技术,将细菌中生产聚乳酸聚合物的基因移植到植物细胞中,使植物也能生产这种塑料小颗粒,然后像收割庄稼一样将塑料颗粒收集起来。


  1990年,美国密执安州立大学的克里斯托弗?辛斯基教授,成功地将能产生聚合物的细菌基因移植到芥子系植物中。1991年1月,这些移植基因全部发挥作用,首创了能产生塑料的植物。


  科学家还计划将这种基因植入马铃薯、甜菜、玉米中,以便大量生产这种塑料。不久的将来,我们就可以像收割玉米似的收获塑料玉米棒了。


  【知道多一点】


  利用细菌生产塑料要实现产业化,从技术上看,已经不存在大的困难,现在的关键是成本太高。但经过人们的不断研究,科学家们认为,10年后用土豆、甜菜、玉米等作物大量生产塑料,其价格可大大降低。而更为重要的是,利用植物生产塑料,需要的仅仅是阳光和水,这有利于缓解人类面临的能源危机和环境灾难,符合可持续发展战略。


  日本和德国的科学家则想直接通过细胞来生产塑料,他们把多种细菌聚合物的基因组合植入某种细菌中,使这种细菌能高效地生产出多功能塑料,甚至有可能生产出代替橡胶的、超韧性的、可被人体吸收的塑料。本文来自《上海塑料》杂志

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