市場上最常見的PBAT降解薄膜是如何降解的？降解后會(huì)有毒性嗎？
2021-11-24
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一、傳統(tǒng)塑料的現(xiàn)實(shí)情況如何？
塑料為人類的物質(zhì)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(yán)重的污染，因此引起了人們對(duì)聚合物廢料處理的關(guān)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(shù)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(huì)產(chǎn)生新的有害物質(zhì)，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(dāng)今全球的一個(gè)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(duì)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(xué)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(nèi)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(lǐng)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)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(shí)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(shí)際降解行為比較復(fù)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(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)者將PBAT基地膜應(yīng)用在了地中海氣候的葡萄園中，借此檢驗(yàn)這種地膜的生物降解性能以及保溫性能。18個(gè)月后收獲的果實(shí)產(chǎn)量證實(shí)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(gè)月后地膜破碎，即使在有機(jī)質(zhì)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(duì)原材料的需求。
三、哪些外部情況會(huì)對(duì)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光降解起主要作用，開始于薄膜的暴露側(cè)，并在第8周后通過聚合物基體擴(kuò)散，致使主鏈斷裂交聯(lián)導(dǎo)致膜的完整性和力學(xué)性能喪失，非交聯(lián)部分平均分子質(zhì)量下降表現(xiàn)為一級(jí)反應(yīng)。土壤掩埋樣品的分子質(zhì)量下降速度遠(yuǎn)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(zhì)量之間的關(guān)系表明PBAT薄膜在大約7周的時(shí)間內(nèi)，太陽總輻射累計(jì)達(dá)到800MJ/m會(huì)失去完整性。
為了更好地了解氣候因子的相對(duì)重要性，實(shí)驗(yàn)人員在2015-2018年期間在2種不同氣候條件的蔬菜田間試驗(yàn)中，對(duì)PBAT地膜進(jìn)行了3～4個(gè)月的評(píng)價(jià)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(huì)毒害環(huán)境嗎？
生物可降解聚合物被認(rèn)為是減少固體廢棄物高排放，減少對(duì)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(gè)有待探討的問題。過去曾有人質(zhì)疑PBS和PBAT塑料的降解產(chǎn)物是否會(huì)給動(dòng)植物帶來危害。
研究人員用擔(dān)子菌(一種酶)預(yù)處理PBAT地膜，這讓地膜在土壤中的降解速率非?？?，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(dān)子菌的加入縮短了原土壤菌群恢復(fù)所需的時(shí)間。這種方法可以有效地縮短生物可降解聚酯的降解時(shí)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(jī)肥和稻殼灰二氧化硅)的低摻入率對(duì)PBAT/PLA地膜的影響。
結(jié)果表明，所有的膜都表現(xiàn)出了吸附增益和生物降解，其結(jié)果優(yōu)于純共混物。在土壤生態(tài)毒性方面，這些薄膜對(duì)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(jìn)一步增強(qiáng)地膜的農(nóng)藝性能，加快陸地作物的生長。
體外試驗(yàn)是一種簡單、方便的方法，可以用來評(píng)估不同物質(zhì)對(duì)植物的影響。研究人員通過該方法評(píng)估了PBAT基地膜對(duì)萵苣和番茄的影響。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PBAT基地膜提取物對(duì)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(huì)被忽視)，對(duì)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(duì)洋蔥分生組織細(xì)胞的生態(tài)毒理學(xué)效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：材料降解后對(duì)洋蔥分生組織細(xì)胞無植物毒性、細(xì)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(xì)胞株HepG2/C3A，進(jìn)行生物測定實(shí)驗(yàn)。
結(jié)果顯示：土壤水提取物對(duì)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(xì)胞凝膠電泳技術(shù)和小核試驗(yàn)證實(shí)了其不存在遺傳毒性，即在PBAT膜降解前后，土壤均未對(duì)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(lǐng)域可以替代非生物降解聚酯。研究結(jié)果顯示：PBAT在自然環(huán)境下很容易降解，且降解產(chǎn)物對(duì)動(dòng)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(shí)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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