【跨科際閱讀】能自動分解的塑膠──可降解塑膠

在今天,塑膠製品已經進入千家萬戶中,垃圾中的廢棄塑膠也越積越多。合成塑膠有很高的化學穩定性,不僅耐酸、耐鹼,並且不蛀、不霉、不腐蝕等,有人稱它是「白色汙染」。由於科學的進步,人類已經可以做出能自動分解的塑膠,避免造成環境汙染。

撰文|蘇明德(嘉義大學應用化學系)

原載於【科學發展448期】2010.04.01

塑膠1@flickr

塑膠的化學性質十分穩定,埋在地下多年也不會腐爛,這主要與它們的結構有關。

塑膠是一種大家熟悉的材料,顧名思義,它是在一定溫度和壓力下,可以塑製成形的一種合成高分子材料。塑膠按它的塑性可以分成「熱塑性塑膠」和「熱固性塑膠」兩種,前者大都是線形高分子,後者是交聯立體網狀的高分子。若按用途,塑膠可以分成 4 種:通用塑膠、工程塑膠、特種塑膠和增強塑膠。

在今天,塑膠製品已經進入千家萬戶中,垃圾中的廢棄塑膠也越積越多。由於合成塑膠有很高的化學穩定性,不僅耐酸、耐鹼,並且不蛀、不霉、不腐蝕等。如果把它埋入地下,上百年也不會腐爛,因而形成嚴重的公害,有人稱它是「白色汙染」。根據統計,在已開發國家居民的垃圾中,平均有 7 ~ 8% 的塑膠,且有日益增多的趨勢。因此,人們大聲疾呼要消除「白色汙染」,如果能把包裝食品的塑膠袋、泡沫塑膠飯盒等包裝材料,改用可以降解的塑膠,必然可以使「白色汙染」得到一定程度的緩解。

所謂可降解塑膠,是指在一定條件下會自行分解的塑膠。塑膠的化學性質十分穩定,埋在地下多年也不會腐爛,這主要與它們的結構有關。高分子是由許多的小分子以某種方式連接起來形成的聚合物,例如聚乙烯便是由許多的乙烯單體聚合成的。

高分子化合物有一個共同特點,即分子中的碳原子與碳原子之間,是以碳碳化學鍵連接起來而形成碳鏈。碳鏈中碳原子的排列方式,主要有 3 種:第1種是碳原子之間排成一條線,呈現不帶支鏈的線形結構;第2種是碳原子之間排成一條線,但有分支,呈現帶支鏈的線形結構;第3種是碳原子之間的排列相互交錯,形成交聯網狀結構。

Polyethylene

聚乙烯(polyethylene,簡稱:PE)是日常生活中最常用的高分子材料之一,廣泛用於製造塑料袋,塑料薄膜,牛奶桶等產品。屬於熱塑性塑料。

不過,高分子主鏈不全是只有碳碳鍵,也可以是碳硫鍵、碳氧鍵、碳氮鍵等的化學鍵。由於這種特殊的結構和巨大的分子量,使得高分子具有小分子化合物沒有的優異物理、化學和力學性能,例如高強度、高熔點、高耐腐蝕性等。

塑膠是高分子化合物的一種,分子中的碳鏈十分牢固,要把這種鏈削弱或打斷變成小分子(即降解)是相當困難的。因此,科學家想了許多辦法,到現在為止,比較有效的降解方法有3種,即生物降解、化學降解和光照降解,並成功地合成了「生物降解塑膠」、「化學降解塑膠」和「光照降解塑膠」。這些可降解塑膠在解決「白色汙染」的問題上,發揮了很大的貢獻。

生物降解塑膠

所謂「生物降解塑膠」,是一種能被土壤中的微生物和酶分解掉的塑膠。它就像有機植物,是能在土壤中腐敗的一類物質。例如,美國林業部製造的一種樹苗保護套就採用了「生物降解塑膠」,栽植移苗時,塑膠套連同樹苗一起埋入土內,隔年樹苗根部開始生長時,塑膠套早已經在土壤中分解了。另外,美國生產的一種降解手術線也採用降解塑膠製成,它在人體內經過3個月後就消失了。
目前,對降解塑膠研究比較透徹的國家,主要是美國、英國和日本。例如在英國,「生物降解塑膠」已經達到量產規模。不過,生產降解塑膠還有一些困難待克服,其中一項是價格太貴,大約是普通塑膠的 8 ~ 10 倍。

讓普通塑膠變成「生物降解塑膠」的方法有許多種。第1種辦法是在塑膠中添加澱粉,因為澱粉的加入可以使塑膠中的碳碳鏈容易破壞,化學鏈被削弱的程度足以滿足微生物消化的要求,最後使塑膠分解成水和二氧化碳。把普通塑膠變成「生物降解塑膠」的第2種方法,是在塑膠中加入 40 ~ 50% 的凝膠狀澱粉,或者加入經有機矽偶聯劑處理過的澱粉和少量玉米油不飽和脂肪酸。不過,這種方法得到的降解塑膠成本高,降解時間長,例如在堆肥條件下,要經過 3 ~ 5 年後才會完全分解。把普通塑膠變成「生物降解塑膠」的第3種方法,是使塑膠成分中含有澱粉和聚己內醯胺。用這種方法製成的降解塑膠其降解時間較短,可以用來製作降解手術縫合線。但是,缺點還是成本太高。

降低生產成本是降解塑膠能否推廣應用的一個重要因素,目前科學家積極設法採用穀殼、木漿等天然廢物製造「生物降解塑膠」,以降低成本。

化學降解塑膠

所謂「化學降解塑膠」,是含有一種特殊包裝物的塑膠。這種包裝物是用澱粉包裹的氧化劑,所用的氧化劑能促進高分子的降解,像玉米油等。當這種塑膠埋在土裡時,澱粉首先被細菌吃掉,剩下千瘡百孔的網絡狀外殼。隨後,藏在殼內的氧化劑與土壤中的鹽和水發生化學反應生成氧化物,破壞塑膠分子中的碳碳鍵,進而達到降解的目的。這種降解塑膠不僅成本低,降解效果也比較好。在理想的情況下,一般而言6個月就可以把塑膠變成粉末,幾年後便可全部降解。

光照降解塑膠

顧名思義,這是一種在光照下能被降解的塑膠。從組成上來看,塑膠中含有氫氧基,在太陽紫外光的作用下會發生化學變化,進而導致碳碳鍵的破壞。「光照降解塑膠」的降解效果與「化學降解塑膠」差不多,在降解過程中,會先留下一堆殘渣,經過好幾年後才能完全降解。兩者不同的是,前者必須在較長時間的太陽光暴露下,而後者必須埋入土中或沉入海水中,以確保細菌的存活。目前「光照降解塑膠」的用途,主要是製成一些食品包裝袋、瓶罐等。

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