市場上最常見的PBAT降解薄膜是如何降解的？降解后會有毒性嗎？
2021-11-24
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一、傳統(tǒng)塑料的現(xiàn)實情況如何？
塑料為人類的物質生活提供了很多便利。但傳統(tǒng)聚酯如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯，由于其不可降解性，給環(huán)境和生態(tài)造成了嚴重的污染，因此引起了人們對聚合物廢料處理的關注。
目前而言，一次性塑料回收再利用普遍存在著成本高，技術不成熟等問題，廢棄塑料的處理主要以填埋和焚燒為主，但這兩種處理方法會產(chǎn)生新的有害物質，并不是好的處理方法。
基于現(xiàn)狀，尋求可持續(xù)發(fā)展的綠色節(jié)能生物降解材料已成為當今全球的一個重要課題。生物可降解高分子材料(BPMs)根據(jù)原材料的不同，可分為可再生高分子材料和石化高分子材料。
二、PBAT的降解性能與農(nóng)藝性能如何？
聚己二酸對苯二甲酸丁二烯酯(PBAT)是一種石化基芳香脂肪族共聚酯，具有良好親水性和加工性能，物理力學性能與聚乙烯相近。在肥沃土壤中自然存在的酶的幫助下，幾周內就能完全降解。這些特性使其成為一種優(yōu)秀的環(huán)保聚合物，可在食品包裝工業(yè)、垃圾袋、購物袋、保鮮膜、地膜等領域取代非生物降解聚合物。
PBAT是一種常見的可降解地膜材料，因此，這種材料需要能在自然環(huán)境中持續(xù)保證性能直到作物生長完畢。通過將PLA、PBAT和PBAT/PLA共混膜樣品埋在土壤中，定期取出降解后的樣品，研究其降解行為。
實驗結果表明:降解后的PBAT、PLA和PBAT/PLA樣品與降解前樣品的紅外特征峰基本相同，但元素分析結果顯示：降解后的PBAT、PLA和PBAT/PLA樣品中的碳原子含量降低，氧原子含量增加，充分說明樣品確實在降解，PBAT/PLA共混物中PBAT和PLA的降解速率與各自單一聚合物的降解速率不同。
生物可降解聚酯的實際降解行為比較復雜，往往受太陽輻射、濕度、溫度、微生物群落、使用條件等因素的影響。實驗中，實驗者將PBAT基地膜應用在了地中海氣候的葡萄園中，借此檢驗這種地膜的生物降解性能以及保溫性能。18個月后收獲的果實產(chǎn)量證實這些薄膜具有良好的農(nóng)藝性能。
在使用期間，表層土壤含水量保持在較高水平，之后逐漸降低，使得葡萄生長出旺盛、分布均勻的根莖。5個月后地膜破碎，即使在有機質和微生物生物量較差的土壤里也表現(xiàn)出生物降解能力。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，在含有10wt%處理廢物的地膜在使用效率和生物降解方面表現(xiàn)出與原材料地膜相似的行為，可以有效減少對原材料的需求。
三、哪些外部情況會對降解產(chǎn)生的影響？
研究人員研究了熱帶地區(qū)日光曝曬下PBAT在土壤中的降解行為。
實驗發(fā)現(xiàn)，光降解起主要作用，開始于薄膜的暴露側，并在第8周后通過聚合物基體擴散，致使主鏈斷裂交聯(lián)導致膜的完整性和力學性能喪失，非交聯(lián)部分平均分子質量下降表現(xiàn)為一級反應。土壤掩埋樣品的分子質量下降速度遠低于太陽暴露的非交聯(lián)部分的薄膜樣品，表現(xiàn)為表面侵蝕的生物降解行為。
太陽總輻射、凝膠含量和數(shù)均分子質量之間的關系表明PBAT薄膜在大約7周的時間內，太陽總輻射累計達到800MJ/m會失去完整性。
為了更好地了解氣候因子的相對重要性，實驗人員在2015-2018年期間在2種不同氣候條件的蔬菜田間試驗中，對PBAT地膜進行了3～4個月的評價工作。
研究發(fā)現(xiàn)，太陽輻射是影響覆膜降解的重要因素，尤其溫度較高的氣候條件下影響更大。
四、降解后的PBAT會毒害環(huán)境嗎？
生物可降解聚合物被認為是減少固體廢棄物高排放，減少對環(huán)境影響的一種可行性代替品。然而，這些材料的環(huán)境安全性是一個有待探討的問題。過去曾有人質疑PBS和PBAT塑料的降解產(chǎn)物是否會給動植物帶來危害。
研究人員用擔子菌(一種酶)預處理PBAT地膜，這讓地膜在土壤中的降解速率非常快，5周后土壤中無可回收固體碎片。另外，土壤中菌群也發(fā)生了變化，這種變化在膜固體碎片降解后仍在繼續(xù)，擔子菌的加入縮短了原土壤菌群恢復所需的時間。這種方法可以有效地縮短生物可降解聚酯的降解時間，生物可降解微生物在土壤中的積累加速了PBAT膜的降解速率，有助于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性。
研究原還研究了3種不同的天然填料(炭黑、有機肥和稻殼灰二氧化硅)的低摻入率對PBAT/PLA地膜的影響。
結果表明，所有的膜都表現(xiàn)出了吸附增益和生物降解，其結果優(yōu)于純共混物。在土壤生態(tài)毒性方面，這些薄膜對大豆的萌發(fā)率沒有影響，生長和生物量均高于為添加填料的薄膜，說明在PBAT/PLA地膜中少量添加這些填料，能進一步增強地膜的農(nóng)藝性能，加快陸地作物的生長。
體外試驗是一種簡單、方便的方法，可以用來評估不同物質對植物的影響。研究人員通過該方法評估了PBAT基地膜對萵苣和番茄的影響。
結果發(fā)現(xiàn)，PBAT基地膜提取物對植物生長有一定影響，主要是影響植物根系的生長(而這種情況在其他生態(tài)毒性測定如盆栽中可能會被忽視)，對植物和環(huán)境沒有明顯影響。
研究人員還檢測了PBAT、PLA及其共混物降解后對洋蔥分生組織細胞的生態(tài)毒理學效應。實驗結果表明：材料降解后對洋蔥分生組織細胞無植物毒性、細胞毒性、遺傳毒性和誘變性。
研究人員制備了含和不含紫外線穩(wěn)定劑添加劑的PBAT薄膜樣品，在膜降解后，用土壤水提取物培養(yǎng)萵苣、洋蔥和人肝癌細胞株HepG2/C3A，進行生物測定實驗。
結果顯示：土壤水提取物對植物生長沒有明顯影響，檢測樣本均未發(fā)現(xiàn)染色體異常。堿性單細胞凝膠電泳技術和小核試驗證實了其不存在遺傳毒性，即在PBAT膜降解前后，土壤均未對被試樣品造成損害。
總的而言，PBAT作為一種性能優(yōu)良的石化基高分子材料，在許多領域可以替代非生物降解聚酯。研究結果顯示：PBAT在自然環(huán)境下很容易降解，且降解產(chǎn)物對動植物和環(huán)境系統(tǒng)沒有明顯的影響，是環(huán)境友好型生物降解材料。使用更多的生物可降解材料確實有利于解決農(nóng)戶使用傳統(tǒng)地膜帶來的塑料碎片給土地帶來的塑料污染，可以減少微塑料的產(chǎn)生。
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