微观研究生物降解塑料
（蔡荣欣编译）
【期刊名称】《上海化工》 【年(卷),期】2019(044)003 【总页数】4 他山之石
塑料由于较低的成本以及理想的化学、力学、热和电等性能，被广泛用于包装、医疗、农业、电器、汽车以及加工行业。然而，塑料也是一个大污染源，常在经过短期使用之后便被扔进垃圾堆场，全世界的塑料垃圾以每年6000万t的速度在产生。基于环境保护的出发点，处置塑料的各种措施和方法相继出现，生物降解路径便是其中之一。经济合作与发展组织（OECD）早先针对化学品提出“快速生物降解性”的概念，要求在28 d的测试期限内的10 d窗口期应达到60%生物降解，规定将10%的生物降解程度定为该窗口期的起点。文献中已出现几种具有可比性生物降解的塑料品钟，如聚己酸内酯、己二酸琥珀酸共聚丁二醇酯、聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯等。
生物可降解塑料是微生物的一种碳来源和能源，在有氧条件下的生物降解反应可以用方程式（1）来表示：
聚合物的碳（C聚合物）被微生物吸收（转为C生物质），而后矿化成CO2和H2O或用于生长和再生产（更多C 生物质）。C 生物质经较长时间矿化，在土壤微生物种群或储藏的聚合物的作用下产生CO2。其结果是CO2的快速生成后，接着是较慢第二阶段的CO2逸出，这两种模式属可被认知的有机物质矿化方式。方程式（2）是更准确的生物降解表达。
C聚合物转化为C生物质，然后C生物质再以不同的动力学（b）转化为CO2。严格地说，反应（a）是生物降解，而反应（b）是矿化。与化学反应类似，可通过跟踪反应物的消耗或产物的出现来监控生物降解过程。从技术角度来定量化监控生物降解的最好方式是计量反应物或是能量新陈代谢的终产物。 生物降解的百分数是放出的CO2与理论量CO2的比值。理论量CO2为投入反应器塑料样品中的元素碳全部氧化所应生成的CO2量。
这一呼吸测量方法是借鉴经济合作与发展组织在20世纪80年代发布的关于化学品测试的指导书的内容建立的。
1 材料和方法
1.1 材料
所用材料为聚葵二酸丁二醇酯（PBSe）——一种生物可降解性脂肪族聚酯。经元素分析，其m（C）=65.43%，密度为1.12 g/cm3。以原有形态（小球）或经液氮冷冻研磨和筛分后做土壤生物降解的试验。得到的三部分颗粒尺寸范围为：500～700 μm，200～355 μm，50～75 μm。 将微晶纤维素 ［m（C）=44.44%］粉末作参比物。 1.2 比表面测定
每一级粉末依颗粒测定比表面积（cm2/g），视颗粒为不等边椭圆体，取20个颗粒以量规测定3个坐标轴的长短径，用下式计算表面积：
式中 a，b和 c为半坐标轴，p为1.607 5（克努兹-汤姆森校正系数）。再由表面面积和20个颗粒的平均质量计算比表面积（cm2/g）。
粉末的比表面积经三种方法得出：（1） 理论方法计算；（2） 扫描电镜图像处理；（3）BET测定方法。
1.3 生物降解
生物降解依照 ASTM D5988—12标准方法测定，结果是基于所产生的CO2量。 聚葵二酸丁二醇酯的不同筛分是以微晶纤维素作参比物一起进行土壤降解。试验数量为每个反应器投1 g，也有一些筛分试验量加倍（每个反应器投2 g）。材料试验中产生的CO2净量，可通过从投入有聚合物的反应器中产生的CO2量扣掉投入空白土壤的反应器所产生CO2的平均量计算而得。生物降解的百分数，为试验产生的CO2净量与基于聚合物碳的CO2理论生成量之间的比值。
2 结果讨论
2.1 粒子尺寸确定
将20个颗粒计量其尺寸和质量，再由此来测定其平均比表面（cm2/g）。以理论方法估计不同筛分部分的表面积，将每一部分的粒子视为直径等于每一级范围极限中值的球体。见表1。
为了核实这一假设，曾进行图像分析比照（结果差异均在观测误差范围之内）。另外，还进行BET分析，所测得结果比其他方法高3～5倍。 2.2 生物降解
各反应器累计生成的CO2如图1所示，对比试验显示的进程多数可重叠（相同征象，即图中实线和虚线所示），只是总表面积分别是1 651 cm2和1 649 cm2的R11和R12在20～60 d之间出现分叉。图1中各反应器R1-R16的内容物见表2。
图2 展示了PBSe生物降解平均曲线，原有形态PBSe（表面积=33cm2的小球）的试验结果是最慢的。当在138 d之后，所有曲线在80%高台区均位于80%和90%范围间，唯有33cm2小球例外地仍处在连续的生物降解中。
微观研究生物降解塑料
