Review of Applications and Performance Evaluation Methods of Biodegradable Plastics

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.08.022

Abstract

Abstract:

This paper introduced the degradation mechanisms of biodegradable plastics and the evaluation standard test methods of biodegradability. Based on the degradation function of biodegradable plastics and their environmental conditions after abandoned， the suitable application fields of biodegradable plastics and products were analyzed and elaborated in view of the existing problems in the application and development of biodegradable plastics and products. Finally， the applications and development trend of biodegradable plastics were prospected.

Key words: biodegradable plastics, application, evaluation method, standard

CLC Number:

TQ 321

DIAO Xiaoqian, WENG Yunxuan, FU Ye, ZHOU Yingxin. Review of Applications and Performance Evaluation Methods of Biodegradable Plastics[J]. China Plastics, 2021, 35(8): 152-161.

Figures/Tables 6

References 39

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类型	注解	参考文献
PMLA	在降解过程中能产生代谢产物，无论pH值为多少都能溶于水，在生理条件下迅速降解。	［1?3］
PGA	结晶度高、拉伸模量高，在有机溶剂中溶解性差，优异的纤维成型能力。易水解。在手术缝合线上有应用。	［1，4?5］
聚（3?羟基丁酸酯）（PHB）	高度结晶，熔点为180℃，玻璃化转变温度（T_g）5 ℃。共聚物具有更好的加工性和降解速率。	［1，6］
聚羟基戊酸（PHV）	聚（3?羟基丁酸酯?co?3?羟基戊酸酯）（PHBV）共聚物。	［5，15］
PCL	通常由ε?己内酯的开环聚合制备。相对容易水解。	［7?10］
聚（乳酸）（PLA）	当厚度小于样品临界厚度并且水扩散速率大于酯骨架的水解速率时，通过本体腐蚀经历缓慢的水解降解。	［1，5，11］
聚（1，4?二氧六环?2?酮）（PPDO）	生物相容性聚合物，具有良好的柔韧性和拉伸强度，适合医疗应用，如用作手术缝线、骨软骨固定螺钉等。	［1，5，12?13］
芳香族共聚酯	通过1，4?丁二醇与己二酸和对苯二甲酸的混合物之间的缩聚获得。	［14］
多肽和蛋白质	天然存在的含有氨基酸单元的聚酰胺（多肽），如天然蛋白质、胶原蛋白、明胶。	［15］
多糖	通过糖苷键连接的基本糖单位；可以非生物水解和酶水解。如天然存在的淀粉和不同形式的纤维素。	［15］
甲壳素	也称为聚（N?乙酰基?β?D?氨基葡萄糖），根据其不同来源，有两种同分异构体，即α型和β型，以α型最为常见。降解大多通过细菌和真菌进行，其中一些微生物通过糖苷键的水解可对甲壳素进行降解。	［16?17］
壳聚糖	也称为聚（d?葡糖胺），可以被水解葡糖胺 ? 葡糖胺、葡糖胺?N?乙酰基 ? 葡糖胺和N?乙酰基 ? 葡糖胺?N?乙酰基?葡糖胺键的酶降解。	［18?19］
聚氰基丙烯酸酯	通过阴离子聚合制备，制作可水解的外科黏合剂。	［7，14，20］
聚缩酮	可降解成由丙酮和二醇组成的中性化合物，并且可以避免产生与聚酯材料的酸性产物相关的炎症。	［21?26］
聚磷酸酯	通过水解和酶促裂解骨架中的磷酸键，使其在生理条件下降解为磷酸盐，醇和二醇。	［5］
聚醚	如果碳链短，则水溶。增加分子量的聚（环氧乙烷）（PEO），也称为聚（乙二醇）（PEG），会降低水解速率。	［15，27］
聚酰胺?烯胺	疏水性聚合物，通过水解及真菌和细菌的生物降解而降解。用作药物释放基质。	［7，28?30］
聚碳酸酯类	脂族聚碳酸酯中的碳酸酯键易于生物降解，如聚（碳酸亚乙酯）、聚（碳酸亚丙酯）、聚（碳酸亚丁酯）。	［31］
聚氨酯（PU）	亲水性醚聚氨酯，生物降解性取决于预聚物是聚酯还是聚醚。	［7，15］
聚酰胺（PA）	高结晶度和强链间相互作用（例如，具有类似结构的更柔韧的聚酯），导致较低的生物降解速率。	［7，15，32］

类型	注解	参考文献
PMLA	在降解过程中能产生代谢产物，无论pH值为多少都能溶于水，在生理条件下迅速降解。	［1?3］
PGA	结晶度高、拉伸模量高，在有机溶剂中溶解性差，优异的纤维成型能力。易水解。在手术缝合线上有应用。	［1，4?5］
聚（3?羟基丁酸酯）（PHB）	高度结晶，熔点为180℃，玻璃化转变温度（T_g）5 ℃。共聚物具有更好的加工性和降解速率。	［1，6］
聚羟基戊酸（PHV）	聚（3?羟基丁酸酯?co?3?羟基戊酸酯）（PHBV）共聚物。	［5，15］
PCL	通常由ε?己内酯的开环聚合制备。相对容易水解。	［7?10］
聚（乳酸）（PLA）	当厚度小于样品临界厚度并且水扩散速率大于酯骨架的水解速率时，通过本体腐蚀经历缓慢的水解降解。	［1，5，11］
聚（1，4?二氧六环?2?酮）（PPDO）	生物相容性聚合物，具有良好的柔韧性和拉伸强度，适合医疗应用，如用作手术缝线、骨软骨固定螺钉等。	［1，5，12?13］
芳香族共聚酯	通过1，4?丁二醇与己二酸和对苯二甲酸的混合物之间的缩聚获得。	［14］
多肽和蛋白质	天然存在的含有氨基酸单元的聚酰胺（多肽），如天然蛋白质、胶原蛋白、明胶。	［15］
多糖	通过糖苷键连接的基本糖单位；可以非生物水解和酶水解。如天然存在的淀粉和不同形式的纤维素。	［15］
甲壳素	也称为聚（N?乙酰基?β?D?氨基葡萄糖），根据其不同来源，有两种同分异构体，即α型和β型，以α型最为常见。降解大多通过细菌和真菌进行，其中一些微生物通过糖苷键的水解可对甲壳素进行降解。	［16?17］
壳聚糖	也称为聚（d?葡糖胺），可以被水解葡糖胺 ? 葡糖胺、葡糖胺?N?乙酰基 ? 葡糖胺和N?乙酰基 ? 葡糖胺?N?乙酰基?葡糖胺键的酶降解。	［18?19］
聚氰基丙烯酸酯	通过阴离子聚合制备，制作可水解的外科黏合剂。	［7，14，20］
聚缩酮	可降解成由丙酮和二醇组成的中性化合物，并且可以避免产生与聚酯材料的酸性产物相关的炎症。	［21?26］
聚磷酸酯	通过水解和酶促裂解骨架中的磷酸键，使其在生理条件下降解为磷酸盐，醇和二醇。	［5］
聚醚	如果碳链短，则水溶。增加分子量的聚（环氧乙烷）（PEO），也称为聚（乙二醇）（PEG），会降低水解速率。	［15，27］
聚酰胺?烯胺	疏水性聚合物，通过水解及真菌和细菌的生物降解而降解。用作药物释放基质。	［7，28?30］
聚碳酸酯类	脂族聚碳酸酯中的碳酸酯键易于生物降解，如聚（碳酸亚乙酯）、聚（碳酸亚丙酯）、聚（碳酸亚丁酯）。	［31］
聚氨酯（PU）	亲水性醚聚氨酯，生物降解性取决于预聚物是聚酯还是聚醚。	［7，15］
聚酰胺（PA）	高结晶度和强链间相互作用（例如，具有类似结构的更柔韧的聚酯），导致较低的生物降解速率。	［7，15，32］

降解塑料	化学结构	降解条件/环境
PLA		水性环境
PLA		可控堆肥条件下
PBAT		水性环境
		可控堆肥条件下
		土壤条件下
PHA		水性环境
PHA		可控堆肥条件下
PPC		水性环境
PPC		可控堆肥条件下
PCL		水性环境
PCL		可控堆肥条件下

降解塑料	化学结构	降解条件/环境
PLA		水性环境
PLA		可控堆肥条件下
PBAT		水性环境
		可控堆肥条件下
		土壤条件下
PHA		水性环境
PHA		可控堆肥条件下
PPC		水性环境
PPC		可控堆肥条件下
PCL		水性环境
PCL		可控堆肥条件下

序号	介质	氧环境	国际标准号	国际标准转化为国家标准号（或计划号）	标准名称
1	堆肥化?高固体份堆肥	厌氧	ISO 15985	GB/T 33797	塑料在高固体份堆肥条件下最终厌氧生物分解能力的测定采用分析测定释放生物气体的方法
2	堆肥化?工业化堆肥	需氧	ISO 17088	GB/T 28206	可堆肥塑料技术要求
3	堆肥化?实验室模拟	需氧	ISO 20200	20202561?T?469	塑料在实验室模拟堆肥条件下塑料材料崩解性能的测定
4	堆肥化?受控堆肥	需氧	ISO 14855	GB/T 19277.1	受控堆肥条件下材料最终需氧生物分解能力的测定采用测定释放的二氧化碳的方法第1部分：通用方法
5	堆肥化?受控堆肥	需氧	ISO 14855?2	GB/T 19277.2	受控堆肥条件下材料最终需氧生物分解能力的测定采用测定释放的二氧化碳的方法第2部分：用重量分析法测定实验室条件下二氧化碳的释放量
6	堆肥化?中试条件	需氧	ISO 16929	GB/T 19811	在定义堆肥化中试条件下塑料材料崩解程度的测定
7	海水?海洋接种物	需氧	ISO 22403	尚未转化	塑料在嗜温需氧实验室条件下暴露于海洋接种物中材料固有生物降解性能评定试验方法和要求
8	水性培养液	需氧	ISO 14851	GB/T 19276.1	水性培养液中材料最终需氧生物分解能力的测定采用测定密闭呼吸计中需氧量的方法
9	水性培养液	需氧	ISO 14852	GB/T 19276.2	水性培养液中材料最终需氧生物分解能力的测定采用测定释放的二氧化碳的方法
10	水性培养液	厌氧	ISO 14853	GB/T 32106	塑料在水性培养液中最终厌氧生物分解能力的测定通过测量生物气体产物的方法
11	海水	需氧	ISO 23977?1	尚未转化	塑料暴露于海水中塑料材料需氧生物降解测定第1部分：采用测量释放生物气体的方法
12	海水	需氧	ISO 23977?2	尚未转化	塑料暴露于海水中塑料材料需氧生物降解测定第2部分：采用测定密闭呼吸计中需氧量的方法
13	海水	需氧	ISO/WD 5430	尚未转化	塑料生物降解塑料材料海洋生态毒性试验方案试验方法和要求
14	海水?沉积物界面	需氧	ISO 18830	20202657?T?469	塑料海水沙质沉积物界面非漂浮塑料材料最终需氧生物分解能力的测定通过测定密闭呼吸计内耗氧量的方法
15	海水?沉积物界面	需氧	ISO 19679	20202658?T?469	塑料海水沙质沉积物界面非漂浮塑料材料最终需氧生物分解能力的测定通过测定释放二氧化碳的方法
16	海水?实际海洋	崩解	ISO 22766	尚未转化	塑料在实际现场条件下海洋生境中塑料材料崩解程度的测定
17	海水?实验室模拟海洋环境	需氧	ISO/FDIS 23832	尚未转化	塑料在实验室条件下暴露于海洋环境基质中塑料材料降解率和崩解度测定试验方法
18	海水?沉积物中	需氧	ISO 22404	20202643?T?469	塑料暴露于海洋沉积物中非漂浮材料最终需氧生物分解能力的测定通过分析释放的二氧化碳的方法
19	嗜温条件	需氧	ISO/CD 5148	尚未转化	塑料在嗜温实验室试验条件下固体塑料材料需氧生物降解率和消失时间（DT50）测定
20	受控污泥	厌氧	ISO 13975	GB/T 38737	塑料受控污泥消化系统中材料最终厌氧生物分解率测定采用测量释放生物气体的方法
21	土壤	需氧	ISO 17556	GB/T 22047?2008	土壤中塑料材料最终需氧生物分解能力的测定采用测定密闭呼吸计中需氧量或测定释放的二氧化碳的方法
22	土壤	需氧	ISO/FDIS 23517	尚未转化	塑料农业和园艺用生物降解地膜生物降解、生态毒性和成分控制的要求和试验方法