塑料的生物降解
“塑料在黄粉虫肠道快速生物降解，揭示了丢弃在环境中塑料废物的新命运。”北京航空航天大学杨军教授说。
塑料在环境中难以自然降解，而聚苯乙烯又是其中之最，由于高分子量和高稳定性，普遍认为微生物无法降解聚苯乙烯类塑料。2015年北京航空航天大学杨军教授研究组、深圳华大基因公司赵姣博士等在环境学科领域的权威期刊《EnvironmentalScience&Technology》上合作发表了两篇姊妹研究论文，证明了黄粉虫（面包虫）的幼虫可降解聚苯乙烯这类最难降解的塑料。
该研究显示，以聚苯乙烯泡沫塑料作为唯一食源，黄粉虫幼虫可存活1个月以上，最后发育成成虫，其所啮食的聚苯乙烯被完全降解矿化为CO2或同化为虫体脂肪。这种发现为解决全球性的塑料污染问题提供了思路。 石油化工生产的塑料废物污染是世界环境难题。大部分塑料一次性消费使用后即被丢弃。迄今为止学术界认为，塑料产品由于物理化学结构稳定、在自然环境中可能数十至数百年不会被分解。
杨军教授介绍，2013年全球消费2.99亿吨塑料，其中聚苯乙烯类塑料占7%，每年消耗约2100万吨，常见的塑料饭盒、咖啡杯等可承受开水温度的材料即为聚苯乙烯。权威的调查已经表明，聚苯乙烯这种塑料在土壤、污泥、腐烂垃圾，或粪肥微生物群落里，4个月仅降解0.01%-3%的范围。
每年全世界有4000万吨的废弃塑料在环境中积累,中国每年约有200万吨废弃塑料丢在环境里。以农田用农膜为例，我国农膜年产量达百万吨,且以每年10%的速度递增,无论覆盖何种作物,所有覆膜土壤都有残膜。据统计,我国农膜年残留量高达35万吨,残膜率达42%，大量残膜遗留在农田0-30厘米的耕作层。也就是说,有近一半的农膜残留在土壤中,食品安全方面是一个极大隐患。
“塑料在土壤中完全被微生物同化,降解成CO2和水实现无机矿化,可能需要200-400年时间,从而造成在环境中的积累。”杨军教授告诉羊城晚报记者。 2005年起，杨军团队开始研究塑料生物降解。主攻最难降解的聚苯乙烯等塑料降解。
科学家此前使用几种土壤无脊椎动物实验，如蚯蚓、千足虫、蛞蝓、蜗牛等看看其能否吃掉塑料。在饲喂14C标记的塑料如聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP），结果显示无法降解。
杨军认为，生物降解塑料的思路要开拓，不能只局限于微生物,可以考虑鳞翅目昆虫、白蚁等,海洋中的蛀船虫和钻孔蚌能侵蚀聚乙烯和海底电缆，也可考虑从这些生物中分离并克隆能产生活性基团的关键酶及其基因。
杨军团队的2014年研究发现，蜡虫（印度谷螟幼虫）能够咀嚼和进食聚乙烯PE薄膜，幼虫肠道分离出能够降解PE薄膜的两种菌株，即肠杆菌属YT1和芽孢杆菌YP1。随后研究团队发现，黄粉虫幼虫是一种吃掉塑料更为厉害的动物，其尺寸比蜡虫更大（通常长35毫米，宽度3毫米），其可以将泡沫塑料作为唯一食品。黄粉虫有4个生活阶段：卵、幼虫、蛹和成虫。
黄粉虫又叫面包虫，在昆虫分类学上隶属于鞘翅目，拟步行虫科，粉甲虫属（拟步行虫属）。原产北美洲，50年代从前苏联引进中国饲养，黄粉虫被誉为“蛋白质饲料库”。其干品含脂肪30%，含蛋白质高达50%以上，此外还含有磷、钾、铁等多种元素。干燥的黄粉虫幼虫含蛋白质40%左右、蛹含57%、成虫含60%。
在中国国内，黄粉虫实际上类似蚕，人类可以直接食用，炒着吃，也可以用来做饲料，黄粉虫作饲料喂养的蝎子、蜈蚣、蛤蚧、蛇、热带鱼和金鱼，不仅生长快、成活率高，而且抗病力强，繁殖力也大大提高。养殖黄粉虫十分容易，养殖户可用新鲜燕麦、小麦糠、苹果养殖。 杨军教授的团队从中石化燕山分公司购买了聚苯乙烯塑料原料，这些原料中没有添加剂和催化剂。而α-13C、β-13C标记的聚苯乙烯塑料样品则从美国购买。黄粉虫从北京大兴、河北秦皇岛等昆虫养殖场购买，用谷物饲养，这些虫子位于3-4虫龄（即褪了3-4次皮）。
这些黄粉虫被放置在一个有泡沫塑料块的聚丙烯塑料容器里。实验人员定期测量被黄粉虫吃掉的泡沫塑料块重量，对照组是常规麦麸饲养的黄粉虫，实验中500个黄粉虫以5.8克的泡沫为唯一食物，在控制条件的温室中单独饲养（25±1°C，80±2%湿度，和16:8光/暗周期）。在孵化过程中，死亡的黄粉虫立即去除。
杨军等人在实验中，以泡沫塑料为单一食源喂养黄粉虫幼虫。对比正常饲养(喂食麸皮)和停食的幼虫，结果发现，在16天实验期内，幼虫干重尽管并未如正常饲养的幼虫显著增加(+33.6%)，仅小量增加了0.2%（这是由于相比麸皮，泡沫塑料的水含量和营养价值较低），但也未像停食的幼虫干重明显降低(-24.9%)，并且对比喂食塑料和麸皮两组的幼虫存活率，并无明显差异。
100只黄粉虫每天可以吃掉34-39毫克的泡沫塑料。在16天的试验期，虫子摄入泡沫塑料中47.7%转化为CO2。而残留（约49.2%）被转化为类似兔粪便的生物降解颗粒被排泄出体外。试验用α-13C或β-13C标记的聚苯乙烯塑料证实其被矿化为碳13标记二氧化碳和脂类。幼虫肠道内聚苯乙烯泡沫停留时间不超过24小时就降解。
用聚苯乙烯泡沫塑料作为唯一食物的幼虫，与那些喂以正常食物（麦麸）的虫子过了1个月后，健康情况一样，最后发育成甲壳成虫。黄粉虫在泡沫上吃出了一个一个洞。通过虫子的肠道后，摄入的泡沫塑料的化学结构和组成发生变化。通过采用凝胶渗透色谱（GPC）、碳13的核磁共振光谱，热重傅里叶变换红外光谱，证实了幼虫肠道中聚苯乙烯长链分子断裂形成虫子代谢产物随着粪便排出。
实验还进一步在幼虫肠道中成功分离出可以利用聚苯乙烯为唯一碳源进行生长的聚苯乙烯降解细菌——微小杆菌YT2（Exiguobacteriumsp.YT2）。该菌株已保存在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心和国家基因库，是国际上报道的第一株保存在菌种中心的聚苯乙烯降解细菌。 我们通常所用的塑料并不是一种纯物质，它是由许多材料配制而成的。其中高分子聚合物(或称合成树脂)是塑料的主要成分，此外，为了改进塑料的性能，还要在高分子化合物中添加各种辅助材料，如填料、增塑剂、润滑剂、稳定剂、着色剂、抗静电剂等，才能成为性能良好的塑料。
塑料助剂又叫塑料添加剂，是聚合物（合成树脂）进行成型加工时为改善其加工性能或为改善树脂本身性能所不足而必须添加的一些化合物。例如，为了降低聚氯乙烯树脂的成型温度，使制品柔软而添加的增塑剂；又如为了制备质量轻、抗振、隔热、隔音的泡沫塑料而要添加发泡剂；有些塑料的热分解温度与成型加工温度非常接近，不加入热稳定剂就无法成型。因而，塑料助剂在塑料成型加工中占有特别重要的地位。 防止塑料在加热成型或在高温使用过程中受热氧化，而使塑料变黄，发裂等。
除了上述助剂外，塑料中还可加入阻燃剂、发泡剂、抗静电剂、导电剂、导磁剂、相容剂等。以满足不同的使用要求。 根据各种塑料不同的使用特性，通常将塑料分为通用塑料、工程塑料和特种塑料三种类型。
①通用塑料
一般是指产量大、用途广、成型性好、价格便宜的塑料。通用塑料有五大品种，即聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)及丙烯腈─丁二烯─苯乙烯共聚合物（ABS）。这五大类塑料占据了塑料原料使用的绝大多数，其余的基本可以归入特殊塑料品种，如：PPS、PPO、PA、PC、POM等，它们在日用生活产品中的用量很少，主要应用在工程产业、国防科技等高端的领域，如汽车、航天、建筑、通讯等领域。塑料根据其可塑性分类，可分为热塑性塑料和热固性塑料。通常情况下，热塑性塑料的产品可再回收利用，而热固性塑料则不能，根据塑料的光学性能来分，可分为透明、半透明及不透明原料，如PS、PMMA、AS、PC等属于透明塑料，而其它大多数塑料都为不透明塑料。
常用塑料品种性能及用途
1．聚乙烯：常用聚乙烯可分为低密度聚乙烯（LDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）和线性低密度聚乙烯（LLDPE）。三者当中，HDPE有较好的热性能、电性能和机械性能，而LDPE和LLDPE有较好的柔韧性、冲击性能、成膜性等。LDPE和LLDPE主要用于包装用薄膜、农用薄膜、塑料改性等，而HDPE 的用途比较广泛，薄膜、管材、注射日用品等多个领域。
2．聚丙烯：相对来说，聚丙烯的品种更多，用途也比较复杂，领域繁多，品种主要有均聚聚丙烯（homopp），嵌段共聚聚丙烯（copp）和无规共聚聚丙烯（rapp），根据用途的不同，均聚主要用在拉丝、纤维、注射、BOPP膜等领域，共聚聚丙烯主要应用于家用电器注射件，改性原料，日用注射产品、管材等，无规聚丙烯主要用于透明制品、高性能产品、高性能管材等。
3．聚氯乙烯：由于其成本低廉，产品具有自阻燃的特性，故在建筑领域里用途广泛，尤其是下水道管材、塑钢门窗、板材、人造皮革等用途最为广泛。
4．聚苯乙烯：作为一种透明的原材料，在有透明需求的情况下，用途广泛，如汽车灯罩、日用透明件、透明杯、罐等。
5．ABS：是一种用途广泛的工程塑料，具有杰出的物理机械和热性能，广泛应用于家用电器、面板、面罩、组合件、配件等，尤其是家用电器，如洗衣机、空调、冰箱、电扇等，用量十分庞大，另外在塑料改性方面，用途也很广。
②工程塑料
一般指能承受一定外力作用，具有良好的机械性能和耐高、低温性能，尺寸稳定性较好，可以用作工程结构的塑料，如聚酰胺、聚砜等。在工程塑料中又将其分为通用工程塑料和特种工程塑料两大类。工程塑料在机械性能、耐久性、耐腐蚀性、耐热性等方面能达到更高的要求，而且加工更方便并可替代金属材料。工程塑料被广泛应用于电子电气、汽车、建筑、办公设备、机械、航空航天等行业，以塑代钢、以塑代木已成为国际流行趋势。
通用工程塑料包括：聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、改性聚苯醚、热塑性聚酯、超高分子量聚乙烯、甲基戊烯聚合物、乙烯醇共聚物等。
特种工程塑料又有交联型的非交联型之分。交联型的有：聚氨基双马来酰胺、聚三嗪、交联聚酰亚胺、耐热环氧树指等。非交联型的有：聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚醚酮（PEEK）等。
③特种塑料
一般是指具有特种功能，可用于航空、航天等特殊应用领域的塑料。如氟塑料和有机硅具有突出的耐高温、自润滑等特殊功用，增强塑料和泡沫塑料具有高强度、高缓冲性等特殊性能，这些塑料都属于特种塑料的范畴。
a.增强塑料：
增强塑料原料在外形上可分为粒状（如钙塑增强塑料）、纤维状（如玻璃纤维或玻璃布增强塑料）、片状（如云母增强塑料）三种。按材质可分为布基增强塑料（如碎布增强或石棉增强塑料）、无机矿物填充塑料（如石英或云母填充塑料）、纤维增强塑料（如碳纤维增强塑料）三种。
b.泡沫塑料：
泡沫塑料可以分为硬质、半硬质和软质泡沫塑料三种。硬质泡沫塑料没有柔韧性，压缩硬度很大，只有达到一定应力值才产生变形，应力解除后不能恢复原状；软质泡沫塑料富有柔韧性，压缩硬度很小，很容易变形，应力解除后能恢复原状，残余变形较小；半硬质泡沫塑料的柔韧性和其他性能介于硬质与软质泡沫塑料之间。 根据各种塑料不同的理化特性，可以把塑料分为热固性塑料和热塑性塑料两种类型。
(1)热塑性塑料
热塑性塑料(Thermo plastics )：指加热后会熔化，可流动至模具冷却后成型，再加热后又会熔化的塑料；即可运用加热及冷却，使其产生可逆变化(液态←→固态)，是所谓的物理变化。通用的热塑性塑料其连续的使用温度在100℃以下，聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯并称为四大通用塑料。热塑料性塑料又分烃类、含极性基因的乙烯基类、工程类、纤维素类等多种类型。受热时变软，冷却时变硬，能反复软化和硬化并保持一定的形状。可溶于一定的溶剂，具有可熔可溶的性质。热塑性塑料具有优良的电绝缘性，特别是聚四氟乙烯（PTFE）、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)都具有极低的介电常数和介质损耗，宜于作高频和高电压绝缘材料。热塑性塑料易于成型加工，但耐热性较低，易于蠕变，其蠕变程度随承受负荷、环境温度、溶剂、湿度而变化。为了克服热塑性塑料的这些弱点，满足在空间技术、新能源开发等领域应用的需要，各国都在开发可熔融成型的耐热性树脂，如聚醚醚酮（PEEK）、聚醚砜(PES)、聚芳砜(PASU)、聚苯硫醚(PPS)等。以它们作为基体树脂的复合材料具有较高的力学性能和耐化学腐蚀性，能热成型和焊接，层间剪切强度比环氧树脂好。如用聚醚醚酮作为基体树脂与碳纤维制成复合材料，耐疲劳性超过环氧/碳纤维。它的耐冲击性好，在室温下具有良好的耐蠕变性，加工性好，可在240～270℃连续使用，是一种非常理想的耐高温绝缘材料。用聚醚砜作为基体树脂与碳纤维制成的复合材料在 200℃具有较高的强度和硬度，在-100℃尚能保持良好的耐冲击性；无毒，不燃，发烟最少，耐辐射性好，预期可用它作航天飞船的关键部件，还可模塑加工成雷达天线罩等。
甲醛交联型塑料包括酚醛塑料、氨基塑料（如脲－甲醛－三聚氰胺－甲醛等）。其他交联型塑料包括不饱和聚酯、环氧树脂、邻苯二甲二烯丙酯树脂等。
(2)热固性塑料
热固性塑料是指在受热或其他条件下能固化或具有不溶（熔）特性的塑料，如酚醛塑料、环氧塑料等。热固性塑料又分甲醛交联型和其他交联型两种类型。热加工成型后形成具有不熔不溶的固化物，其树脂分子由线型结构交联成网状结构。再加强热则会分解破坏。典型的热固性塑料有酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯、呋喃、聚硅醚等材料，还有较新的聚苯二甲酸二丙烯酯塑料等。它们具有耐热性高、受热不易变形等优点。缺点是机械强度一般不高，但可以通过添加填料，制成层压材料或模压材料来提高其机械强度。
以酚醛树脂为主要原料制成的热固性塑料，如酚醛模压塑料（俗称电木），具有坚固耐用、尺寸稳定、耐除强碱外的其他化学物质作用等特点。可根据不同用途和要求，加入各种填料和添加剂。如要求高绝缘性能的品种，可采用云母或玻璃纤维为填料；如要耐热的品种，可采用石棉或其他耐热填料；如要求抗震的品种，可采用各种适当的纤维或橡胶为填料及一些增韧剂以制成高韧性材料。此外还可以采用苯胺、环氧、聚氯乙烯、聚酰胺、聚乙烯醇缩醛等改性的酚醛树脂以满足不同用途的要求。用酚醛树脂还可以制成酚醛层压板，其特点是机械强度高，电性能良好，耐腐蚀，易于加工，广泛应用于低压电工设备。
氨基塑料有脲甲醛、三聚氰胺甲醛、脲素三聚氰胺甲醛等。它们具有质地坚硬、耐刮痕、无色、半透明等优点，加入色料可制成彩色鲜艳的制品，俗称电玉。由于它耐油，不受弱碱和有机溶剂的影响（但不耐酸），可在70℃下长期使用，短期可耐110～120℃，可用于电工制品。三聚氰胺甲醛塑料比脲甲醛塑料硬度高，有更好的耐水、耐热、耐电弧性，可作耐电弧绝缘材料。
以环氧树脂为主要原料制成的热固性塑料品种很多，其中以双酚A型环氧树脂为基材的约占90%。它具有优良的粘接性、电绝缘性、耐热性和化学稳定性，收缩率和吸水率小，机械强度好等特点。
不饱和聚酯和环氧树脂都可以制成玻璃钢，具有优异的机械强度。如不饱和聚酯的玻璃钢，其机械性能良好，密度小（只有钢的1/5至1/4，铝的1/2），易于加工成各种电器零件。以苯二甲酸二丙烯酯树脂制成的塑料的电性能和机械性能均优于酚醛和氨基热固性塑料。它吸湿性小，制品尺寸稳定，成型性能好，耐酸碱及沸水和一些有机溶剂。模塑料适于制造结构复杂的、既耐温又有高绝缘性的零件。一般可在-60～180℃的温度范围长期使用，耐热等级可达F级到H级，比酚醛和氨基塑料的耐热性都高。
聚硅醚结构形式的有机硅塑料在电子、电工技术中的应用较多。有机硅层压塑料多以玻璃布为补强材料；有机硅模压塑料多以玻璃纤维和石棉为填料，用以制造耐高温、高频或潜水电机、电器、电子设备的零部件等。这类塑料的特点是介电常数和tgδ值较小，受频率影响小，用于电工和电子工业中耐电晕和电弧，即使放电引起分解，产物是二氧化硅而不是能导电的碳黑。这类材料有突出的耐热性，可以在250℃连续使用。聚硅醚的主要缺点是机械强度低，胶粘性小，耐油性差。已开发出许多改性有机硅聚合物，例如聚酯改性有机硅塑料等在电工技术上得到应用。有的塑料既是热塑性又是热固性的塑料。例如聚氯乙烯，一般为热塑性塑料，日本已研制出一种新型液态聚氯乙烯是热固性的，模塑温度为60～140℃；美国一种叫伦德克斯的塑料，既有热塑性加工的特征，又有热固性塑料的物理性能。
①烃类塑料。属非极性塑料，具有结晶性和非结晶性之分，结晶性烃类塑料包括聚乙烯、聚丙烯等，非结晶性烃类塑料包括聚苯乙等。
②含极性基因的乙烯基类塑料。除氟塑料外，大多数是非结晶型的透明体，包括聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚醋酸乙烯酯等。乙烯基类单体大多数可以采用游离基型催化剂进行聚合。
③热塑性工程塑料。主要包括聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯、ABS、聚苯醚、聚对苯二甲酸乙二酯、聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚苯硫醚等。聚四氟乙烯。改性聚丙烯等也包括在这个范围内。
④热塑性纤维素类塑料。主要包括醋酸纤维素、醋酸丁酸纤维素、塞璐珞、玻璃纸等。 根据各种塑料不同的成型方法，可以分为膜压、层压、注射、挤出、吹塑、浇铸塑料和反应注射塑料等多种类型。
膜压塑料多为物性的加工性能与一般固性塑料相类似的塑料；层压塑料是指浸有树脂的纤维织物，经叠合、热压而结合成为整体的材料；注射、挤出和吹塑多为物性和加工性能与一般热塑性塑料相类似的塑料；浇铸塑料是指能在无压或稍加压力的情况下，倾注于模具中能硬化成一定形状制品的液态树脂混合料，如MC尼龙等；反应注射塑料是用液态原材料，加压注入膜腔内，使其反应固化成一定形状制品的塑料，如聚氨酯等。
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2024-07-24 广告
