随着石油资源日益紧缺和废弃塑料不当处理而带来白色污染的日益严重,以生物质为原料的可降解高分子材料逐渐成为了当前研发的热点。
聚羟基烷酸酯 (PHA) 是一种典型的利用微生物直接制造的可降解生物聚酯[1],因具有热塑加工性、生物相容性和生物可降解性而受到人们的广泛关注[2],被认为是替代传统石油化工塑料中最具有潜力的新材料之一[3]。
目前,PHA材料可被应用于水溶胶、纤维[4]、包装[5]、塑料制品、医用植入材料[6]、支架材料[7]、手术缝线、可控药物缓释载体等。然而PHA也存在热稳定性差、加工窗口较窄等缺陷,因此国内外专家和学者利用不同方法对PHA进行改性研究,如生物改性、化学改性、物理改性等。
以下将从PHA的种类、改性研究进展几方面进行概述和总结。
1 PHA的种类目前,学者已发现和确定了100多种不同单体结构的PHA[8]。按照PHA的单体组成,可大致分为:短链PHA (scl-PHA:short chain length PHA),其单体组成在3−5个C原子;中长链PHA (mcl-PHA: medium chain length PHA),其单体组成在6−16C原子;短链中长链共聚PHA (scl-mcl-PHA),由短链和中长链单体共聚形成。根据单体单元的连接方式,PHA 可分为:均聚PHA (homopolymer)、无规共聚PHA (random copolymer) 和嵌段共聚PHA (block copolymer)。
PHA常见的产品包括聚3-羟基丁酸酯 (PHB)[9]、聚 (3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯) (PHBV)[10]、聚 (3-羟基丁酸酯-3-羟基丙酸甲酯) (PHBHP)、聚 (3-羟基丁酸酯-4-羟基丁酸酯) (P3/4HB)[11]、聚 (3-羟基丁酸酯-3-羟基己酸酯) (PHBH)[12]等。PHB是PHA家族当中研究最广泛的一位成员,具有较好的机械性能以及生物相容性。PHBV的生物相容性良好,生物降解性优良,耐高温,结晶度高。PHBH的弹性和塑性较好,PHBH的机械性能比PHB更加优异。与PHB的硬度高、脆性强相比,PHBH由于其结晶度比PHB低,硬度和脆性也得到了一定程度的改善。PHBH具有优良的生物降解性,同时具有良好的塑性和硬度。
2 PHA产业化发展过程在最初的研究中,PHA主要应用于医学、生物等方面[13]。由于PHA具有一些特殊的性质,如可持续性、环境友好性 (生物可降解性)、生物相容性[14]、疏水性等,并且其热性能、力学性能与某些以石油为原料合成的塑料如聚乙烯、聚丙烯类似,因而它被认为是一种可替代传统石油化工类塑料的可持续发展的材料[15]。
1925年,PHB首先由法国巴斯德研究所的Lemoigne在巨大芽孢杆菌中发现,并确定3-羟基丁酸 (3HB) 的均聚物为PHB[16]。20世纪70年代由英国ICI公司对其开发生产,利用天然土壤微生物,通过发酵生产PHA。
之后,美国、德国、日本和中国等在发酵工艺、性能和用途方面取得一系列的进展,部分PHA产品已进行到工业化试生产的阶段。
目前已工业化生产的PHA产品种类有PHB、PHBV、P3/4HB,主要生产厂商及产能见表 1。
Manufacturers | Types of PHA |
Productivity (t/a) |
Proposed projects (t/a) |
Biocycle, Brazil | PHB | 100 | |
Biomers, Germany | PHB | / | 1 000 |
Ningbo Tianan Biologic Material Co. Ltd | PHBV | 2 000 | 10 000 |
Procter & Gamble Co. | PHBH | 5 000 | / |
Kaneka Corporation, Japan | PHBH | 5 000 | 20 000 |
metabolix Inc. | P3/4HB | 350 | 50 000 |
Archer Daniels Midland Company | P3/4HB | / | 50 000 |
Tianjin GreenBio Materials Co., Ltd | P3/4HB | 10 000 | |
Shenzhen Ecomann Biotechnology Co. Ltd | P3/4HB | 5 000 | / |
由表 1可见,目前生产PHA的生产企业主要有巴西的Biocycle公司,目前产能100 t/年;德国慕尼黑Biomers公司拟建产能1 000 t/年生产线;美国metabolix公司目前产能350 t/年 (英国ICI (Zeneca) 公司先将专利转让给美国孟山都公司,孟山都公司又转让给美国Metilabox公司),对外宣布拟建设规模为50 000 t/年;美国P&G公司以及日本Kaneka株式会社生产PHBH,目前产能均为5 000 t/年[17],Kaneka株式会社拟建设产能20 000 t/年生产线;宁波天安生物材料公司PHBV目前产能2 000 t/年,拟建设规模10 000 t/年;美国ADM公司与metabolix公司合作[18]拟建设50 000 t/年规模工厂;天津国韵生物科技公司和深圳意可曼生物科技有限公司2个企业均生产P3/4HB,目前产能分别为10 000 t/年、5 000 t/年,PHA的改性研究进展与其他脂肪族生物降解聚酯类似,PHA材料在加工和性能方面也存在一些缺点,如易水解、热稳定性差、加工成型周期长、加工窗口较窄;较差的韧性和综合机械力学性能,以及较高的成本,以上这些缺点使得PHA目前还不能大量被使用。国内外专家和学者对PHA进行了改性研究[19],如生物改性、化学改性和物理改性等,以提高性能,降低生产成本,推进应用。
2.1 生物改性在PHA的改性手段中生物改性是十分重要的方法,可从源头对材料的结构进行改进。PHA的生物改性是通过微生物发酵,在不同碳源、不同发酵条件下,在PHA分子链段引入其他功能的羟基脂肪酸链节单元,以达到改善PHA性能的目的[20]。利用生物技术调控PHA分子结构,使PHA性能多样化[21],满足不同领域应用要求。
PHB化学结构规整,结晶度高,具有较好的机械性能、生物相容性以及生物降解性。PHB脆、硬、且断裂伸长率较低。其熔点为180 ℃,分解温度约为190−200 ℃,熔点和分解温度较为接近,在熔融状态下极不稳定,因此使其成型加工的难度增加。这些缺点大大限制PHB的应用范围。利用细菌发酵在PHB链段上引入其它羟基脂肪酸的链节单元,以改善PHB的性能,如降低熔点、结晶度,改善材料的抗冲击性能和加工性能。
英国ICI公司以葡萄糖和丙酸为发酵原材料,利用真养产碱杆菌,对PHBV进行规模化生产[22],商品名为Biopol。PHB合成过程中以葡萄糖为基质,将奇数碳的有机酸作为前体加入到真养产碱杆菌培养基中,真养产碱杆菌可以在胞内积累PHBV,PHBV 中羟基戊酸 (HV) 的含量受有机酸与葡萄糖的比例的影响,因此可得到HV单元含量不同的共聚物。由于分子链上羟基丁酸 (HB) 和HV单元的无规分布破坏原有分子的结构规整度,其结晶晶体规整性下降且呈现不同的结晶形态,材料的熔点和结晶度降低,拉伸强度和弯曲模量得到改善,拓宽其应用范围。
Tanadchangsaeng等[23]采用加入奇数碳的有机酸为前体,采用钩虫贪铜菌进行发酵,连续添加碳源生产出聚羟基脂肪酸酯[P(3HB-co-3HV-co-4HV)] 共聚酯。
Ishida等[24]利用混合碳源4HBA和丁酸,成功制备出不同4HB含量的P3/4HB。发现当3HB含量为主时,随着4HB含量的增加,材料的熔融温度降低;而当4HB含量为主时,随着4HB含量的增加,材料的熔融温度升高。材料的玻璃化转变温度随4HB含量的增加呈线性下降。张素蕴等[25]对4HB含量不同的P3/4HB的力学性能进行研究发现。随着4HB含量的升高,共聚酯的断裂伸长率升高。
李荷等[26]研究丁醇对发酵生产PHBH共聚物中单体组成的影响。发现在培养基中添加正丁醇,可降低PHBH中3HH的含量。由嗜水性气单孢菌 (Aeromonas hydrophila 4AK4) 合成的PHBH中,发现PHBH性能与3HH含量有密切关系。PHBH的熔点随着3H含量的增加而降低,材料的柔性和断裂伸长率则随着3H含量的增加而增加。欧阳少平等[27]将A. hydrophila 4AK4用于PHBH的发酵生产,通过改变葡萄糖酸钠和月桂酸这两种碳源的组分比例,可使A. hydrophila 4AK4合成的PHBH中3H摩尔含量由15%左右降至3%−12%,实现对PHBH单体组成的调控。
生物改性可对PHA分子结构进行调控,部分地实现了改善性能的目的。但实际生产的每一类PHA,目前都会存在一些缺陷,如热加工区间窄、不易加工等,需要在实际塑料加工过程中再进行化学或物理的改性。
2.2 化学改性在PHA的化学改性中,接枝与嵌段是最为常见的方法,也是研究的热点。
2.2.1 接枝改性通过接枝的方法,可改善PHA的性能。
叶鹤荣等[28]利用60Coγ 射线辐照的方法将顺丁烯二酸酐 (MA) 接枝到PHB的主链上。研究发现接枝MA后的产物比未接枝的PHB的粘均分子量明显降低,熔融温度和热分解温度提高,其中热分解温度最高可提高42.2 ℃,热稳定性有较大幅度的提升。
李静等[29]以过氧化二异丙苯 (DCP) 为引发剂,将甲基丙烯酸缩水甘油酯 (GMA) 单体接枝到PHBV单体上进行改性。研究发现接枝GMA对PHBV链段的活动产生一定程度的影响,对PHBV的结晶产生一定成核的效应。
2.2.2 嵌段改性利用嵌段的方法,可使PHA的热稳定性得到改善。
陈成等[30]利用辛酸亚锡作为催化剂,将PHB与聚己内酯 (PCL) 进行酯交换反应得到嵌段共聚物。对嵌段共聚物的结构和性能进行表征,发现PHB-co-PCL自身的晶体结构并未发生变化,但PHB-co-PCL的结晶行为随酯交换量增加而产生较大变化,其在空气中的热稳定性因PCL链段的引入略有提升。
2.3 物理改性在PHA的物理改性中,共混是较为常见的方法之一。通过共混的方法,可弥补PHA某些性能方面的不足。
2.3.1 与聚氧化乙烯 (PEO) 共混聚氧化乙烯 (PEO) 是结晶聚合物,具有良好的水溶性以及生物相容性。
Na等[31]将P (3HB)、P[(3HB)-co-(3HP)]和聚羟基丙酸酯与PEO (Mn=3×105) 进行共混。研究发现,随着PEO含量的增加,共混材料的玻璃化温度和熔融温度显著降低。
王万杰等[32]将PHB与PEO制备共混材料,发现PEO的加入可降低PHB的加工温度,改善PHB的脆性,提高共混材料的冲击强度。
2.3.2 与聚丁二酸丁二醇酯 (PBS) 共混聚丁二酸丁二醇酯 (PBS) 是一类生物可降解高分子材料,具有优良的机械性能、良好的可生物降解性以及可加工性[33]。
Ma等[34]分别将PHB、PHBV与PBS制备成共混物。研究发现,加入PBS后,PHBV的韧性得到明显改善,其中PBS含量为20%时,断裂伸长率提升近一倍;添加相容剂后的PHB/PBS共混物,其拉伸强度和韧性提升,断裂伸长率可达400%。
2.3.3 与聚碳酸亚丙酯 (PPC) 共混聚碳酸亚丙酯 (PPC) 由二氧化碳、环氧丙烷 (PO) 催化合成,具有较高的抗冲击性和韧性[35]。
李静等[36]将甲基丙烯酸缩水甘油酯 (GMA) 接枝到PHBV主链上得到接枝物PHBV-GMA,之后与马来酸酐封端的聚碳酸亚丙酯 (MA-PPC) 进行反应性共混,得到PHBV/PPC共混物。研究发现,MA-PPC的加入,可使PHBV的结晶受到阻碍、球晶尺寸变小、结晶度和结晶能力降低。
2.3.4 与聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯 (PBAT) 共混聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯 (PBAT),是一类可完全生物降解的高分子材料,其柔韧性能优良,断裂伸长率和冲击强度优异[37]。
欧阳春发等[38]通过熔融共混制备PHBV/PBAT共混物,发现PBAT的加入可使PHBV的结晶过程受到抑制,并可大幅度改善PHBV的力学性能。其中PBAT含量50%时,PHBV的断裂伸长率和冲击强度分别提高19倍和22.6倍。
2.3.5 与聚乳酸 (PLA) 共混聚乳酸 (PLA) 是一种生物基聚合物,具有较好的机械性能、相容性及生物降解性等,已在农业、医用、包装等领域被广泛应用[39]。纤维级PLA的热稳定性和可纺加工性较好,可应用于熔喷非织造行业。国内外许多学者对PHA与PLA的共混物进行研究。
(1) PHB/PLA共混体系
葛骏等[40]将PHB与左旋聚乳酸 (PLLA) 混合制成薄膜,研究发现共混后,薄膜的结晶性明显提高。
杜江华等[41]将PLLA、PEO与PHB共混,改善PHB的力学性能和降解速率。发现PHB/PLLA/PEO初生纤维经在50 ℃和110 ℃下拉伸2倍后,共混纤维的断裂强度增加。
(2) PHBV/PLA共混体系
朱斐超等[42]通过熔融共混制备成共混材料PHBV/PLA。发现PLA对PHBV的结晶具有稀释作用,使PHBV无定形区的大分子链活动更容易。
Zhao等[43]通过熔融共混将PHBV和PLA制备成共混材料PHBV/PLA。通过流变性能测试发现低频区内,当PHBV含量由15%至30%时,材料的熔体弹性得到明显的提升。
陶剑等[44]将PLA、PPC以及PHBV制备成PLA/PPC/PHBV共混膜研究发现,PPC和PLA的加入可分别提高共混物的断裂伸长率和拉伸强度,当PPC含量为60%时,断裂伸长率可达170%,PLA/PPC/PHBV (40/40/20) 具有较高的综合力学性能。
(3) PHBH/PLA共混体系
Zhao等[45]通过制备一系列不同比例的共混物,对PHBH/PLA进行研究。研究发现,共混物的力学性能可随共混比例发生改变,材料分解温度得到提升。
王淑芳等[46]通过熔融共混法制备共混物PLA/PHBH,发现PHBH的含量越多,PLA/PHBH的拉伸强度及杨氏模量越低,生物降解速率越高。其中PLA/PHBH (w/w)=20/80的力学性能和降解性能优良。
Lim等[47]通过制备半结晶PLA/PHBH复合材料,发现随着PHBH含量的增多,PLA的结晶逐渐受到抑制。PHBH的加入,使材料产生更大的塑性变形,从而使PLA/PHBH的韧性得到改善,其中PLA/PHBH (80/20) 的韧性较好,由纯PLA的3.2 MPa提升至68.7 MPa。
张姗等[48]通过溶液共混法制备复合材料PLLA/PHBH,发现PLLA和PHBH间存在一定的相互作用。随着共混比例的变化,PLLA的玻璃化温度和冷结晶发生变化,其中PLLA的相对分子质量越大,球晶的规整性越差。当PLLA/PHBH (w/w)=70/30时,PHBH能使PLLA的链段运动加快,结晶成核密度提高,结晶速率加快。
本课题组针对PHBH结晶度低、力学性能差 (断裂伸长率不高,拉伸强度和拉伸弹性模量低)、加工窗口较窄、成型加工困难等缺点,利用PLA优良的机械性能和可加工性,采用熔融共混法将PHBH和PLA共混以改善PHBH性能上的缺陷[49-50]。TGA结果表明热稳定性得到提高,PHBH/PLA的综合力学性能得到改善。 PHBH/PLA (80/20,wt%) 的相容性和力学性能最佳,其中断裂伸长率和冲击强度相对PHBH分别提高38%和15.7%。
2.3.6 添加小分子物质小分子的加入可提高PHA的塑化性能。
Grillo等[51]研究了小分子添加物对PHB性能的影响,其中小分子添加物有PEG200、甘油以及季戊四醇等。由于这些小分子添加物中含多羟基,可提高PHB吸湿性,加速PHB的热降解。季戊四醇对PHB同时起到增塑和填充的作用,可以增塑PHB并且提高材料的模量。
Bibers等[52]研究了低分子增塑剂PEG、癸二酸二辛酯、LaPorl503、Laprol5003等对PHB的作用。增塑剂含量为5%-20%时,共混体系为均相体系,组分间完全相容,PHB的断裂伸长率得到提升。增塑剂可弱化非晶区分子间的作用力,破坏晶区结构的有序性,因此可使材料的弹性有所变化。
Janigová等[53]通过甘油和三醋酸甘油酯增塑PHB。发现甘油的醇解可使PHB的热降解加速,而三醋酸甘油酯则可提高PHB的热稳定性。
Wang等[54]将PHB、PHBH和ATBC共混,其中ATBC作为一种有效的增塑剂可降低玻璃化温度并且提高PHB的热塑性。
3 结论PHA作为生物基可降解聚合物,是一种非常有发展和应用前景的材料,但是加工区间窄、热稳定性差、成本高等缺点制约了它的发展。通过生物改性、共混物理改性及其接枝、嵌段等化学改性的方法,可以在既保证其原有生物降解性能同时,又能提高它的加工性、物理性能、热稳定性等性能。选用适当的改性方法,可得到性能优良的材料,扩宽其应用范围,改性材料可应用于包装和塑料制品等领域。
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