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1、生物可分解高分子,班級:化材三乙組員:孫嘉宏49840069 陳建中49840061 陳凱祥49840097 楊文廷49840073 林家瑋49840089,生物化學報告,一、簡介,自1970年代開始，人們開始意識到使用後隨意拋棄的塑膠廢棄物對環境生態及野生動物產生極大的危害，同時為了擺脫對日趨枯竭的石油資源為依賴及減緩地球之溫室效應，有機物質的再利用及以生物高分子製造之塑膠產品使用後再予以堆肥處理等之永續經營觀念已逐漸受到重視。基於此，全球各國近年來紛紛致力於生物高分子製造塑膠的研發，並對其後續之堆肥化的處理研究均投入相當之人力與經費，再加上許多先進國家以環保作為貿易之門檻，而使得生物可分解
2、材料的產品如雨後春筍般湧出,什麼是生物可分解塑膠？一般而言生物可分解塑膠其可生物分解的能力是依其化學結構及最終產品之組成而定，而不是只依其生產時所使用的原料，因此，生物可分解塑膠的製品可以是以天然性的樹脂粒為基礎，也可以是以合成樹脂粒為其基礎。天然性質的生物可分解塑膠主要是以可再生資源為原料；如澱粉，且該塑膠脂粒可以是以天然方式或合成方式來製造，一般稱此類之塑膠為BDP(Biodegradable Plastic)，若以非可再生性資源原料所合成的生物可分解塑膠脂粒則是屬於石油體系，一般稱此類之塑膠為BP(Bio-Plastic)，兩者主要差別就是原料來源。基於市場應用所需的材料功能下，許多天然
3、體系的生物可分解塑膠也會和石油體系的生物可分解塑膠作混合加工製作以滿足市場的材料功能要求。,生物可分解高分子塑膠除了在原料資源及分解機構上的差異外，在製造上也可被區分成三大類，每一類方法之特性敘述如下:一、澱粉系澱粉為一種具有高度生物分解性的天然高分子，然因欠缺熱可塑性而不適用為塑膠原料，因此目前已開發之產品多為經過物理加工或化學改質者。所謂的物理加工，與其他的生物分解性高分子混練後，就可使用傳統的塑膠用成形機使之成形。現在市面上販售的澱粉系生物分解性塑膠，大多是由這種混練加工方式製得。,二、種類,二、微生物系微生物系生物分解性塑膠是以聚酯與聚氨基酸為主流產品。目前已知可由藍綠藻、氮氣固定菌、
4、枯草菌及光合成細菌等100 種以上的細菌來生產聚酯。然後再將生產過剩的聚酯轉換成能或碳質貯存物質的形式蓄樍於細胞內。在這一事實受到注目後，乃利用醱酵設備並選擇出最適條件下培育微生物，再藉以大量生產出聚酯，經過萃取與分離精製後，即可得到符合要求的聚酯。這一類聚酯可為自然界中存在的微生物分解成二氧化碳與水，並且在170180左右熔解，但其成形性與一般的塑膠並無兩樣。,三、化學合成系通常塑膠是由聚縮合等化學合成技術來大量生產，成本也可因大量生產而大幅降低。雖然脂肪族聚酯最先是由微生物醱酵法合成產出，但是各家公司還是也頗重視化學合成的方法，產品也是集中在脂肪族聚酯。主要的化學合成生物分解性塑膠計有PC
5、L、PLA(聚乳酸)與PVOH等三種產品。,塑膠材質之高分子化學結構，可經由某些機制(Mechanism)在暴露的環境中分解。分解過程中，塑膠之理化特性逐漸轉弱而變脆，並分裂成碎片，再經由 水解、溶解或微生物分解成簡單分子而消失。可分解塑膠之分解速率常因暴露環境不同而異。依技術原理可歸納成四大類，包括(一)生物分解；(二)光分解；(三)水解；(四)溶解。產品發展以前兩類技術為主,三、分解方式,(一)生物分解(Biodegradation)生物分解是藉生物的活動作用而使物質分解，通常是經由微生物如細菌，黴菌、放線菌所分泌的酵素將物質分解消化。製造可生物分解塑膠有二種方法：第一種是在不分解的塑膠材
6、質中摻添可生物分解物質。第二種是製造本身容易遭受酵素分解的高分子。添加物法：此方法是在聚乙烯等不分解的合成高分子中添加一種可分解的天然高分子如澱粉，通常此方式還需添加催化劑(accelerators)以加速分解。分解機制有二：首先澱粉顆粒被微生物分解消耗，使高分子基質的組織變成多孔性，導致塑膠製品物性弱化和表面積增加。另一分解機制是脂肪或脂肪酸自氧化劑與 土壤或水中的金屬鹽類接觸而反應，產生了過氧化物。高分子鏈遭受過氧化物的攻擊而斷裂，此一分解機制的效率與塑膠的表面積成正比。因此，兩種分解機制乃是 相輔相成，相得益彰。高分子鏈的斷裂不僅弱化了物理特性，並且將高分子裁剪成小分子，而終被微生物分解
7、成最終產物水和二氧化碳。生物高分子(Bio-polymers)：此類高分子通常是微生物發酵所產生的天然塑膠。目前已成功發展出可以完全分解的生物高分子(Biopol)，例如聚 基丁酯(PHB)或聚基丁酯與戊酯共聚物(PHBV)，係利用細菌發酵製得之新穎熱塑性聚酯材料。由於PHB為一脆性材料，再加入30%以下基戊酯，可降低結晶性，使材料更柔軟更具延展性。在美國、日本及德國皆已將PHBV材料利用吹瓶加工製成洗髮精瓶，日本更將其應用於刮鬍刀柄，其缺點是售價仍昂 貴。,(二)光分解(Photodegradation)光分解是利用太陽光中紫外輻射的能量而使物質分解。科學對光分解作用 已有相當程度的了解。塑
8、膠加工業者已充分利用紫外光安定劑以防止戶外分解的產生。然而要賦予塑膠具備光分解性，並非不用安定劑即可達成。另外，如何控制光 分解速率才是關鍵問題。高分子對波長在二九三二nm間的紫外光特別敏感，此範圍內之紫外光具有足夠能量可斷裂高分子中的碳氫鍵。光分解作用可經由光 氧化(photooxidation)和酮光解(ketone photolysis)進行。基本上。光分解是一種引起高分子鏈斷裂的連鎖反應，這種自我加速的反應導致高分子的分子量急遽減少，而喪失了固有的特性。一般而言，光分解塑膠的生產價格低於生物分解塑膠。與傳統不分解的塑膠價格比較，光分解塑膠高出二五，而生物分解塑膠卻高出八一五。光分解塑膠
9、面臨 了二個技術上的問題：第一是必須曝露於陽光始能分解，假如塑膠製品被掩埋或沈在水底，光分解將不會發生。第二個問題是具有感光性的添加物通常是有毒的，塑 膠分解後可能危害環境。然而光分解塑膠的優點是產品性質無異於不分解性產品，也就是說塑膠的物性不因擁有分解性而改變。另外，光分解塑膠廢棄物可以回收再 加工利用。生物分解塑膠價格較昂，因為造成生物分解的澱粉添加量要比造成光分解的添加量大得多，且受制於加工溫度不能超過230，否則澱粉將被煮熟(cook)。澱粉的高度吸水性降低了生物分解塑膠回收再生的可能。,四.應用,四、應用,全球每年大約生產1億5,000萬公噸的塑膠，同時也產出為數頗多的塑膠廢棄物，其
10、處理情形更是造成極大的社會問題。以日本為例，日本每年產出塑膠廢棄物約有850900萬公噸，其中450萬公噸是來自一般廢棄物佔有一般廢棄物的1520%，而400450萬公噸則來自產業廢棄物中。至於塑膠廢棄物的處理方法，大約有49%是以焚化處理，41%為掩埋處理，其餘10%則回收再用。在焚化處理時，由於塑膠產生的高熱會破壞焚化爐，而折損焚化設備的使用壽命，再者，燃燒分解出的毒性氣體與毒性物質也對人體健康有害。以掩埋處理塑膠廢棄物，則可能有塑膠不易分解與掩埋場地不足的問題。至於一般在鼓勵或宣導的廢塑膠回收再使用方式，如果考量到整體能源成本total energy cost，就很難使其急速成長。基於目
11、前的處理方法均有諸多問題而非最佳的選擇，因此尋求具有廢棄可分解性的材質，尤其是生物分解性塑膠就日漸受到重視。生物分解性塑膠在使用時也具有與一般塑膠同樣的機能性，若循正常處理方式可於短時間內達完全分解，而若是被惡意使用後丟棄在在土中或海水中，也可因微生物的作用而終至使其分解成二氧化碳。,生物分解性塑膠可大類分為澱粉系、微生物系及化學合成系等三種，而為了滿足市場材料功能及價格，這些生物分解性塑膠亦會作相互掺合改質等加工。相關之種類及應用說明如下：一、澱粉質之熱塑性生物可分解性高分子，一般澱粉含量10%90%，澱粉主要來源為玉米、麥及馬玲薯，一般澱粉含量高於60%的此類高分子才會有重要的材料破碎發生
12、，澱粉含量越高，越易分解。澱粉質的高分子為滿足市場的功能需求會和合成性生物可分解高分子作混掺來滿足不同的產品應用，典型的類別有：熱塑性澱粉高分子：可應用於購物袋、堆肥袋、包裝膜、農膜、發泡型填充包裝材及發泡型托盤。澱粉與線性聚酯的掺合高分子：可應用於較高品質包裝用的板及膜，用於掺合的聚酯包括有PLA聚乳酸及PCL等，其中以PCL作掺合的商品包含有義大利Mater-Bi及德國Bioflex等。澱粉與PVOH的掺合高分子：可應用於發泡產品，此產品是具可水溶解性的，此類商品有日本及美國的Novon及義大利的Mater-Bi。,二、微生物系的生物可分解性高分子主要是藉由微生物程序來製的高分子，如PHA
13、、PHB及PHV等，可應用於射出瓶子及塑膠膜，此類商品如Biopol，另一PHBH是利用發酵程序將天然之碳源轉化成，如Nodax，可應用於單曾或多層膜及不織布包裝等。三、最後一類是合成系列的生物可分解塑膠，此系列中最具市場價格競爭及產品應的便是PLA聚乳酸高分子，PLA是以玉米為原料經發酵及合成方式而製得，可應用於透明包裝用之板及膜、透明食品容器、刀叉匙等一次性使用之應用產品，纖維也是其主要之應用項目，此類應用商品如台灣偉盟Nature Green及美國NatureWorks等。除PLA外，餘還有PCL高分子；商品名有CAPA、Tone及Placeel，PBS高分子；商品名有Bionelle及
14、SkyGreen BDP，AAC高分子；商品名有Ecoflex及EastarBio等，PCL、這幾類高分子大都應用於膜料，如包裝膜、貼合膜、農業用膜、垃圾袋、購物袋及堆肥袋等。,五、結論,生物可分解塑膠的應用開發一直是全球熱門的功課，而其因可分解之性質下有時必需犧牲某些物理性質，此相對於已被方便化及功能化的一般泛用塑膠其所具之物理特性便相形見色，無形中此可生分解之產品能流通到消費者的手中便成了一大門檻，再加上大多數只考慮內部成本而不管社會成本的企業情願放棄企業型象及社會成本的分擔，堅持採用低價而不環保甚至於有直接危害使用者健康之塑膠製品，拒環保性材料而遠之，所以生物可分解塑膠製品一直被視為叫好不叫坐的產品，在全球環保團體疾呼全球環境已快速劣化的情形下，各國政府都應該逐步以法律強力限制及規定一次性塑膠包裝材質從源頭至處理的環保性，以盡到維護地球村能永續發展的責任,參考文獻,維基百科財團法人國家實驗研究院科技政策研究與資訊中心,
