张浩

【摘 要】分子材料从20世纪发展到今，尤其是高分子材料，由于产品美观实用、加工方便、质量轻等优点，逐渐被推广开来。高分子材料已成为人类最重要的材料，无论是我们的日常生活，还是高精尖的技术领域，都离不开高分子材料。所以本文选取生物质高分子材料来分析其应用和发展的趋势，以丰富这方面的知识理论，提供一定的现实意义。

【关键词】生物质；高分子材料

1.生物质高分子材料介绍

高分子材料由于其本身的可塑性好、材料性能高、比金属和非金属材料的密度小、价格低等特点，在人们的生活中扮演者越来越重要的角色，从Staudinger建立高分子学科起，对于高分子材料的的研究开发所投入的人力和财力逐步增加。生物质天然高分子广泛存在与自然界中，它们是取之不尽、用之不竭的可再生资源。而且，这些天然高分子容易被自然界微生物分解成水、二氧化碳和无机小分子，对于环境没有任何影响。但是天然高分子具有多种功能基团和化学键，大部分生物质天然高分子如淀粉、纤维素等链间存在大量羟基，分子内与分子间易形成氢键，使它难溶与有些溶剂，从而不能熔融加工，高温下分解而不熔融，分子间作用力强，溶解性差，加工性能差，用作塑料具有物性差等缺陷[1]。这可以通过化学、物理方法改性成为新材料，也可以通过新兴的技术制备出各种功能材料，因此它们很可能在将来逐步取代合成塑料成为主要化工产品。目前有部分生物质高分子材料已经投入到工业化生产中。下文主要介绍了已经较为成熟的生物质高分子材料改性技术。

2.淀粉基生物质可降解高分子材料

塑料是应用最广泛的高分子材料，由于其分子结构等多方面原因其难以降解，随着用量的与日俱增，废弃塑料所造成的白色污染已成为世界性的公害，可降解高分子材料应运而生。降解高分子材料是指在使用后的特定环境条件下，在一些环境因素如光、氧、风、水、微生物、昆虫以及机械力等因素作用下，使其化学结构能在较短时间内发生明显变化， 从而引起物性下降，最终被环境所消纳的高分子材料。其中生物降解高分子材料是指在自然界微生物或在人体及动物体内的组织细胞、酶和体液的作用下，使其化学结构发生变化， 致使分子量下降及性能发生变化的高分子材料，根据降解机制可将生物质可降解塑料大致分为两大类：填充性降解塑料和完全降解塑料。广泛应用在包装、餐饮业、一次性日用杂品、药物缓释体系、医学临床、医疗器材等诸多领域都有广阔的应用前景，所以开发生物降解高分子材料已成为世界范围的研究热点。如Wamer-Lamber（美国）公司生产的Noven聚合物，是用90%的糊化淀粉的加入少量PVA及其他助剂而获得的，其力学性能比一般聚合物好。

3.生物质高分子在橡胶改性方面的应用

天然橡胶中的其主要的成分是聚异戊二烯，在橡胶树的胶乳中获得，是一种具有综合优越性能的可再生天然资源。因其性能比较单一，所以对天然橡胶进行改性，一般包括环氧化改性、粉末改性、树脂纤维改性，氯化、氢化、环化和接枝改性以及与其它物质的共混改性。淀粉和木质素具有刚性网络结构并含有多个活性基团，可填充于橡胶中进行增加和改性，这是由于这些活性基团可通过羟基与橡胶中共轭双键发生作用，也可与橡胶发生交联、接枝等反应。将木质素填充橡胶与炭黑填充橡胶两者性能相比较，可以发现木质素能实现更高含量的填充，且填充材料的耐溶剂性更高、耐磨性和耐屈挠性更强，光泽度更好，比重也更小。Novamont 公司也在生产汽车轮胎等橡胶产品方面，引入开发出来的淀粉产品Mater-Bi。随后，国内外的研究方面主要是基于为了推动这一领域的技术发展而展开的，如采用乳液聚合的方法实现生物质对橡胶的改性。Wu[2]等制备出以硫酸钙为增容剂，以大豆粉和天然橡胶为主要原料共混而制得的复合材料，其中天然橡胶和大豆粉的含量比为1∶1，用特殊工艺使天然橡胶颗粒充分而均匀的分散与大豆粉基中。由于天然橡胶和大豆粉基分子间都存在着氢键作用，使材料的力学性能和耐水性明显提高。

4.生物质高分子材料---纤维素的改性应用

纤维素基高分子材料纤维素是地球上最丰富的碳水化合物。纤维素可以依靠自然作用完全生物降解性，柔韧性和高强度是纤维素特有的两大优势，但是其基本的力学、热学性能差，成型困难，难以符合工程材料的高性能要求，因此需通过改性获得有实用价值的材料。对于纤维素基质的可降解高分子材料，制备的手段主要有共混型和反应型两大种类。所得到的产品可根据不同要求选择不同的加工工艺，如流延成型、注射成型、模压发泡等，来制得各种塑料薄膜片材以及发泡材料产品，优点是：力学性能良好，生产成本低，降解速度快，可替代聚烯烃等难降解聚合物生产用于食品、化妆品、洗涤剂和日用品的包装材料，此外还可应用于地膜等产品。

5.生物质医用高分子材料[3]

目前在医药领域生物质医用高分子材料已得到广泛应用，例如其主要用于诊断疾病和治疗损伤组织、器官的修复或替换等。根据不同来源，可将其分为天然和人工合成的生物质医用高分子材料两大类。天然生物医用高分子原材料来源于大自然，资源丰富、容易获取，具有很好的生物相容性、可降解性和较低的毒性，因而有着广阔的应用前景。在医学领域，通过细菌的酶解过程产生的纤维素（ 即细菌纤维素），具有良好的生物相容性、湿态时高的力学强度、优良的液体和气体通透性，能防止细菌感染，促使伤口的愈合。壳聚糖可作为生物相容性很好的可降解材料，通过特殊工艺制成手术缝合线、人造血管和人工皮肤等医疗产品。

此外，天然高分子水凝胶由于具有良好的生物相容性、溶胀性和负载的药物不易失活等特性，因此，它广泛的应用于控制药物释放和组织工程生物医学领域。

6.生物质高分子材料在应用中存在的不足及发展趋势

高分子材料包括塑料、胶粘剂、涂料、纤维、薄膜和橡胶等，由于其强度好、保护性能优良、质量轻、抗腐蚀性能好，同时也具有传统结构材料的不少潜在性能，使它更广泛被应用于军用品、基础构建、船舰、汽车、航空等领域，逐渐成为人类最重要的材料。然而，在这些优势和快速发展的背后，高分子材料的生产、加工以及废弃物都对环境造成不少的压力，加上当前环境问题日益严峻高分子材料的绿色化发展是必然的趋势。如当前生物质高分子材料在应用趋势方面主要存在几个问题[4]：一是生产成本高于产品定位，其生产成本是普通塑料的1～3倍左右；二是，技术与工艺还不够完善；三是，使用性能单一，当前商品化生物质材料的综合性能不突出。以上这些发展中的局限性，将促使未来生物质分子材料朝着以下几个方向发展：一是提高原材料获取技术，当前研究的改性技术多以破坏大分子链段为主，势必造成生物质某些天然性能的丧失，所以为了充分发挥这些材料应有的潜力，通过改进工艺和设备提高对于生物质高分子的获取途径和数量未来；二是，加大力度研发新型生物降解塑料，通过即是开发合成简单工艺所需，也是生态环境保护所需，更是日常生活所需（如尿布）和工农业所需（如农药瓶）；三是研发更高性能的生物质复合材料，通过添加生物质高分子材料、金属材料、陶瓷材料等来提高产品的性能。

【参考文献】

[1]朱颖先等，基于天然高分子的纤维材料进展[J].金山油化纤，2001，2：7-11.

[2]WuQ，SelkeS，MohantyAK.Macromol Mater Eng，2007，292：1149～1157.

[3]杨立群等，天然生物医用高分子材料的研究进展[J].中国医疗器械信息，2009，15（5）：21-27.

[4]吴爽，生物质高分子材料应用和发展趋势[J].当代化工，2012，41（10）：1055-1058.

[5]陈国强，陈学思，徐军等.发展环境友好型生物基材料[J].新材料产业，2010，3：54-62.

[6]王婷，木质素提取及其应用研究进展[J].新疆化工，2011（3）：7-10.

[7]谢东，古菊，崔跃飞等.淀粉改性及其在橡胶中的应用研究进展[J].弹性体，2008，18（5）：70-75.