天然聚合物的应用与可持续发展

王　娜　张　澜　胡晓文

[摘要]利用纤维素、淀粉、半纤维素和壳素、木质素、蛋白质，或者其他天然聚合物都能得到我们所需的塑料。从天然聚合物得到启发，我们可以由可再生原材料制备许多有用的新型材料，以达到可持续发展的目标。

[关键词]天然聚合物 纤维素 淀粉 半纤维素和壳素 木质素 蛋白质 可持续发展

中图分类号：TQ31 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2009）0720004－01

一、引言

今天使用的许多有机化工产品都是由不可再生的煤、石油、天然气制备的。这些物质使用后生成二氧化碳这种导致全球变暖的温室效应气体。为了可持续发展，有机产品最好能以田野和森林的可再生资源制备。本文主要介绍纤维素、淀粉、半纤维素和壳素、木质素、蛋白质，这几种天然聚合物在可持续发展中的应用。

二、纤维素

木材中含有纤维素以及24%的半纤维素和22%的木质素。在棉花、剑麻、黄麻、亚麻、大麻以及其他类似的产品中也有纤维素。它是一种葡萄糖的聚合物。用Acetobacter xylinum的方法能从蔗糖中制得纤维素。这种细菌纤维素具有很高的机械强度，如果做到降低成本，将会成为一种重要材料。

亚麻制品具有很好的舒适感和强度，吸水性也比棉花更优。目前人们尝试改进将纤维素与亚麻作物的其他部分分离的工艺，使制作流程更简单。原先沤麻工艺是将作物在湿地里浸放几周，新的方法则包括十二烷基磺酸钠和草酸在75℃下加热2h以及蒸汽处理。通过在甲基丙烯酸甲酯或2-羟乙基异丁烯酸上接枝，亚麻的坚韧度能改善50%、黄麻可改善110%。亚麻作物可作为衣物纤维、油漆涂料、环氧衍生物等的来源。

很多纤维素的衍生物，主要是酯类和醚也被制造出来。如今商业上加以利用的有甲基、乙基、羧甲基、羟乙基和羟丙基醚，它们被用作水溶性高分子。只有乙基纤维素，它是一种坚硬的塑料，被用作工具手柄等。用聚乙二醇塑化后的甲基纤维素被证明可用于防止水果水分流失的可食用涂层。纤维素衍生物不能大量推广的主要原因是，相对于聚烯烃和其他从石油、天然气得到的塑料而言，它们的成本更高。如果设计出更简单、更廉价的方法来制备纤维素衍生物，它们会更有竞争力。

三、淀粉

淀粉也是葡萄糖聚合物，以α-1，4苷键连接，主要有线型的直链淀粉和大分子量的支链淀粉。从含有30%水分的高直链淀粉混合物中挤压出来的淀粉纤维，适于制造纸张和织物。使用前，需加入乙二醛或己二醛来实现部分交联以增加防水性。含有水或丙三醇压缩模式的高直链淀粉比较坚硬，如果加入纤维素微纤则更坚硬。因为增塑剂会随着时间挥发而转移或滤除，所以最好使用像聚丙三醇、聚环氧乙烷这样的高分子增塑剂。目前可将含有水或丙三醇的淀粉模塑成型制造餐具、食用器皿和其他物品，最好再增加一层薄膜以增强防水性。薄膜的原料可以从角质、树叶外层和水果外皮的蜡状物等食品加工废料中得到。

通过挤出淀粉－甲基丙烯酸酯接枝共聚物可以制得坚硬的革制塑料。因为淀粉比纤维素更柔顺，所以能用挤压机制备它的很多衍生物。使用聚合物混合物可以改善防水性，例如使用淀粉与乙烯和乙烯醇的共聚物混合物就可以达到这个目的。通过烘焙淀粉和水合聚乙烯醇的混合物可制得发泡餐具。这两者都需要水或丙三醇作增塑剂。将30%的合成聚酯与70%的淀粉或麦麸模塑成型已经制得刀叉、餐具等产品。

四、半纤维素和壳素

少量的半纤维素正用于水解生成木糖，以便催化加氢得到甜味佐料－木糖醇。另一种很好的用途是将半纤维素用作发酵的底物。包含14%胶质、12%半纤维素和41%木质纤维素的苹果废料可以被注射成型。

壳素也是一种未被充分利用的原料。它是地球上含量最丰富的高分子之一，存在于蚌壳、虾壳等壳中。它是一种乙酰氨基葡萄糖的聚合物。水解壳素得到的胺叫做壳聚糖。部分酰基化（如乙酰基、丁酰基、己酰基或十二酰基）的壳聚糖可以从水溶液中纺制，接着加热到高于180℃，可得到在水和甲酸中不溶的具有高拉伸强度和模量的纤维。利用壳聚糖作为凝结剂处理制造豆腐的废水，可用作动物饲料。

五、木质素

大部分从造纸业获得的木质素都仅仅被用作燃料。几乎所有的木质素都是通过加入磺酸基团的Kraft工艺，从木材中提取出来的。有一种新的工艺流程但还没有商业化，它是将木材与水合乙醇反应，从而提取木质素。这种“organosolv”木质素具有低于1000的平均分子量和2.4～6.3的多分散性，并在一些有机溶剂和稀碱中溶解。这种木质素在黏合剂和树脂中比Kraft木质素具有更多的用途，已经被用作乙烯乙酸乙烯酯共聚物的增强填料。

木质素与苯乙烯的接枝共聚物是热塑性的。IBM正将木质素用于电路板中。通过加入聚乙酸乙烯酯、二苯甲酸二乙基乙二酯和茚，已经制得包含85％非衍生Kraft木质素的塑料。木质素的加入使木质素－淀粉复合物比单独使用淀粉的疏水性强。

六、蛋白质

将蛋白质用于塑料可追溯到亨利福特对大豆的研究。基于蛋白质的薄膜、纤维和塑料所遇到的问题是：太脆，吸水性太强和需要防止微生物降解以保证其稳定性。其中太脆是因为分子量低，链间氢键太多，或者交联太密。可以通过加入增塑剂以破坏氢键，最好这些增塑剂能聚合起来，甚至接枝到蛋白质上，以防止滤去、移走或挥发。减少脆性最好的方法是将橡胶轻度接枝到聚合物上。加入增强纤维和填料，如玻璃纤维也可以增加强度。通过增加疏水基团可以减少吸水性，这些方法用于蛋白质已经获得一些成功。

大豆蛋白塑料可被多羟基醇塑化，比如与丙三醇、乙二醇和丙二醇。这种塑料如果保持干燥，就具有与工程高分子塑料相竞争的潜力。牛奶蛋白和酪蛋白可以制备许多有用的塑料。最好使用甲醛作交联剂，以及更温和的交联剂效果会更好。经碱、酶或胰岛素处理过的大豆蛋白是很好的黏合剂。用新的改良过的大豆蛋白质胶制造出的胶合板具有与传统酚醛树脂相媲美的性能。

七、结论

利用纤维素、淀粉、半纤维素和壳素、木质素、蛋白质，以及其他天然聚合物都能得到我们所需的塑料。理想情况下，塑料或其他产品应该具有类似或比石油提炼出来的产品更好的性能。在生产化工产品的过程中，能量是必须考虑的一个重要因素，因此可再生资源一定会取代现今使用的矿物化石类燃料能源，生产塑料将不需要更多能量，成本低廉。

参考文献：

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