生物可降解聚合物的当前和未来趋势

由于对使用不可再生材料的环境问题的关注，对可生物降解聚合物的需求一直在增长。聚苯乙烯泡沫塑料和其他塑料是用于包装和其他应用的产量最高的材料之一。这些材料造成土地和水污染，并且在一些研究中已与人类和动物的健康问题联系在一起。为了解决这些问题，科学家和工程师正在努力地创新和创造新的可生物降解的聚合物。它们被广泛用于不同领域和应用，例如包装，农业和医疗保健。科学家和工程师正在研究和测试用于开发可生物降解聚合物的各种材料，以评估其有效性，安全性和环境可持续性。可生物降解的聚合物正在融入社会，并成为促进健康，可持续生活方式的塑料包装规范。确实，它正在成为下一个大问题：市场根据MarketsandMarkets的一份商业报告，到2023年，可生物降解塑料的规模预计将增长到61.2亿美元。

在开发新的生物可降解聚合物时，研究人员考虑了该材料的生物可降解行为和抗菌活性。用于制造可生物降解聚合物的各种类型的材料是通过不同的过程制成的。例如，聚乳酸(PLA)是由乳酸通过可再生农作物(例如玉米和甜菜)的发酵过程制成的可生物降解的聚酯。聚己内酯(PCL)是一种常用的材料，是一种可生物降解的聚酯，具有良好的热加工性能，低熔点和低粘度，可通过ε-己内酯聚合而合成。PCL通常与其他聚合物共混以增加抗应力性和附着力。用于开发可生物降解的聚合物的其他材料包括聚羟基链烷酸酯(PHA)和聚羟基丁酸酯(PHB)。这些材料通常在食品包装中找到。

可生物降解的聚合物还可以通过将单个组件合并在一起来开发新材料。例如，可以将淀粉和聚烯烃共混以产生可生物降解的包装。合成过程需要流延膜或吹膜。聚烯烃有助于改善可生物降解材料的机械性能，同时使用大量淀粉(质量浓度高达60%)将其制成可生物降解的材料。

可生物降解聚合物中使用的另一种杰出材料是纤维素，一种天然的，基于生物的聚合物，是从树木和植物中获得的。它是一种具有所需拉伸强度和伸长率性能的坚韧聚合物。另外，纤维素可以与其他聚合物共混以产生基本的可生物降解的材料。表面上，最新发展涉及具有改善的性能和特性的生物基聚合物。Nature Works LLC已开发出具有更好热性能和机械性能的新型PLA。其他发展包括新型聚酰胺，聚酯和PHA，与现有的生物基聚合物相比，它们的性能有明显差异。

将抗微生物技术整合到可生物降解的聚合物中

使用不同种类的材料和技术来创建各种可生物降解的聚合物。常规聚合物由石油资源制成，使其具有抗降解性。如在药物设计，开发和治疗中发表的“当前用于生物医学应用的可生物降解聚合物材料的发展”中所述，可生物降解的生物材料在用于制造它们的物质以及具有特定性能的聚合物的合成方面取得了进步。可生物降解的生物材料的研究和开发对临时义肢，用于组织工程的3D多孔支架和药物输送系统产生了影响。

可生物降解的聚合物也可以结合抗菌技术。抗菌食品包装可延长保存期限，并延长产品的保质期。抗菌包装是通过将生物活性剂添加到包装化合物中来生产的。通过涂覆包装的表面或利用抗微生物聚合物形成膜来施加生物活性剂。生物活性剂可以与前面提到的材料一起使用，例如PLA，PHB和淀粉。

生物基聚合物当前在研究和开发中趋向于替代现有聚合物。研究人员正在研究可以制造以抵消石油基聚合物使用的新材料。生物基聚合物由可再生资源组成。这些聚合物目前仅占塑料市场的一小部分，不到1%。生物基聚合物是通过细菌发酵过程配制的，该过程从可再生资源中合成单体，这些可再生资源来自农作物，脂肪酸，木质纤维素生物质和有机废物。天然生物基聚合物固有地存在于不同的蛋白质和核酸(例如胶原蛋白)中。

在改进可生物降解的聚合物时，需要处理诸如弱的机械性能，低的电和热性能以及狭窄的加工窗口之类的缺点。一种可能性是将它们与纳米填料复合。基于材料的表面积和纵横比，复合材料具有不同的应用和特性。复合材料增强了可生物降解聚合物的性能，同时保持了生态友好性。可生物降解的复合材料具有各种应用，例如人造关节，药物输送系统，生物膜和食品包装。生物基杂化纳米复合材料与生物基聚合物结合使用，可增强聚合物的天然纤维，并改善其整体性能和耐久性。

在塑料工业中，最新的预期突破包括使塑料更易于生物降解，同时保持其强度和耐用性，以与普通塑料竞争。一项正在进行的开发工作集中在由合成基础聚合物(例如聚乳酸和聚己内酯)制成的可生物降解塑料，其中还添加了合成的精选纳米颗粒淀粉。淀粉是一种用途广泛的材料，可潜在地用于聚合物技术中，以通过发酵过程生产合成聚合物并生成生物聚合物。当与不同的材料混合并糊化时，淀粉会产生独特的特性，例如可粘合性和凝胶化能力，这对许多应用都是有益的，同时也是生物降解的资产。

从轻量化到主动食品包装

汽车应用中的金属替代是可生物降解塑料领域的另一个热门话题。工程化的可生物降解塑料零件有助于减轻重量，从而降低了燃油消耗。其他行业，例如纺织品和消费品，也使用可生物降解的塑料。可生物降解塑料的产量正在稳步增长，预计到2023年将生产260万吨(其中65%用于包装)。还预计到2023年，呋喃甲酸聚乙烯酯将投放市场，这可能成为饮料瓶生物基塑料的新奇事物。

用于活性食品包装的可生物降解的薄膜和涂料也正在开发中。精油化合物正在研究薄膜和涂料。对精油的研究正在引起人们对其他天然添加剂的兴趣。例如，已经研究了醋酸纤维素在可生物降解塑料中的有效性，包括材料的强度，耐性，可模塑性，制造通用性和导电性。进行了生物降解测试，以识别乙酸纤维素如何帮助亚麻纤维和棉短绒进行生物降解。测试结果表明，醋酸纤维素会随着时间的流逝而失去重量，在不同温度下，两周内其重量会减少约32%至41%。这些结果得出结论，亚麻纤维和棉短绒中的醋酸纤维素均可被嗜热微生物降解。醋酸纤维素也用于照相胶卷，滤膜和纤维，在生物可降解塑料的开发中进一步发挥其功能。

另外，已经研究了合成聚合物-陶瓷复合材料在生物医学应用中的用途，特别是用于治疗骨相关疾病和病症。陶瓷因其生物相容性和与骨骼相似的结构而非常适合此类应用。选择合成聚合物是因为天然聚合物(例如胶原蛋白)已显示出诸如不稳定性和生物降解性不佳的问题。各种增材制造方法(例如，立体光刻，选择性激光烧结(SLS)和生物印刷)可用于生产可充当植入物或治疗骨相关疾病的复合材料。但是，具体方法取决于复合材料的规格。

生物降解性改善了聚合物电解质的性能

最近的研究发现，在聚合物电解质的产生中使用可生物降解的聚合物与不可生物降解的同类产品相比，具有更高的性能。固体电解质的这些改善的能力包括离子电导率和稳定性。薄膜聚合物是通过将聚合物溶液和盐溶液在普通溶剂中混合而成，然后与添加剂混合，然后蒸发溶剂而制得的。电解质的离子电导率和机械性能受多种因素影响，其中包括所用聚合物的类型和所用离子盐的种类。通过共混聚合物，一种材料允许电解质的特定性质，而另一种则允许不同的性质，例如离子传输和机械强度。

一种基于可生物降解聚合物的新产品可以过滤饮用水，同时添加必需的矿物质。双重功能净化了水，并补充了矿物质和盐分，使水即使在最初无法使用时也能提供关键营养。滤膜由两层制成：用于过滤的多孔层由可生物降解的聚合物制成;由纤维复合材料制成的另一层会添加盐和矿物质。纤维由特定的植物制成，例如香蕉和菠菜，它们是根据矿物质和盐含量选择的，以满足营养需求。

正在进行的对可生物降解塑料的研究正在探索可用于工业中的可生物降解纳米复合材料的各种排列方式，并开发具有改善的机械和分离性能并能承受高温的新型可生物降解纳米复合材料。

纳米填料可生物降解的复合材料及其合成方法正在研究中。用于制备纳米填料复合材料的不同方法取决于用作纳米填料的材料。例如，纳米纤维素可生物降解的复合材料经过溶剂浇铸和熔融加工，这有助于将纳米纤维素添加到聚合物中。该方法将确定将要使用的聚合物的类型。溶剂浇铸使用水溶性聚合物，聚合物乳液和水不溶性聚合物。熔融加工通常用于通过向机器中添加增塑材料来熔融材料。纳米粘土可生物降解的复合材料是另一种应用于可生物降解塑料的材料。纳米粘土可生物降解的合成方法有：聚合物溶液包埋，原位聚合，并融化嵌入。还研究了碳纳米管作为纳米填料的功能。碳纳米管通过影响分子结构和分散程度来增强可生物降解的复合材料。当碳纳米管均匀分散时，复合材料可以变得更坚固，更耐用。

可生物降解的塑料具有令人兴奋的潜力，可通过合理的可持续性改变人们的生活方式。可生物降解的聚合物不仅可以用于食品包装，还可以彻底改变家具，电池，牙刷，尿布，电话，计算机等。研究人员在开发可降解材料方面不断取得进展，这些材料符合工业和安全准则，并且价格低廉，可再生，并且在性能和耐用性上都可以与传统塑料竞争，同时具有环保性。世界可以期待可生物降解的聚合物为每种产品的制造带来巨大的变化。