宁德师范学院应用化学专业毕业设计(论文

宁德师范学院应用化学专业毕业设计(论文内容摘要：

3。 22 1 聚丁二酸丁二醇酯 复合材料 降解过程对植物发 芽和生理特征影响 1 概述 研究背 景 当前 ，各类塑料制品给人们带来了极大的便利， 但是 由于它们在自然 环境 中难以降解，其废弃后造成的环境污染问题越来越严重。 全世界 每年废弃塑料制品总量达6000 万吨，而 我 国每 一 年废弃量 也高达 300 万吨。 塑料和农用地膜的广泛使用，因其难降解性导致 “ 白色污染 ” 日益严重，塑料残膜对土壤的物理、生物及化学性质都 存在 负面影响 [1]。 这些 废弃的塑料会 给生态环境造成 严重 危害时， 同时 不利于 植 物生长发育和品质提高 [23]。 PBS 因其 具有 优异 的生物降解性能和加工性能成为当今研究和开发的热 门 材料。 但是 ， PBS 复合材料废弃后在环境中的变化 常常 被研究人员所 忽视 ，其在降解过程 当 中是否对植物产生影响， 尚未有明 确的证实。 生物降解材料的定义 随着生物降解材料研究的深入，关于生物降解材料的定义也在发生变化。 美国材料协会 （ ASTM） [4]将可生物降解材料定义为 ： 在 自然界中 由于 微生物 的 作用发生降解的材料 [5]。 现在，国际上普遍认为可生物降解材料是在无氧或有氧的条件下，高聚物自身被分解成 CO H2O、 CH4或其他 的 小分子量聚合物，最 后 以无毒和无害的 方式进入 自然环境中 [6]。 生物降解材料分类 可生物降解材料依据定义和生产方式可分为以下三种类型。 （ 1） 微生物合成型生物降解材料是指通过微生物生命活动把某些有机化 合物作为自 身 的能量和碳源储存在其体内， 以 发酵作用而合成的高分子材料 [7]。 （ 2） 天然高分子型生物降解材料是指 采用 植物 或 动物 中的 生物大分子为基材而制成的 高分子材料 [8]。 主要包括淀粉、木质素、纤维素、甲壳素等碱性多糖， 因其 是 2 天然产物制得，所以不会污染环境。 （ 3） 化学合成型生物降解材料是指 通过 化学方法来合成出生物降解材料， 由 缩聚和开环聚合反应在分子结构中引入酯基的脂肪族聚酯 [9]。 化学合成型生物降解材料的降解性能与其结构有着密切关系， 具体表现为： 主链上含有 CN、 CO 等杂键 的高分子材料 比仅含 CC 键的要好 ；有 支链结构 的 高分子材料比直链结构的 要 好 [10]。 生物降解材料的优越性 可生物降解材料是 指 在自然环境中 多 种因素的作用下，在 较短 的时间内自动发生降解的材料。 其作为自然环境友好型材料的优越性主要 表现为 ： ① 在降解过程中不会释放 出 Pb 等对环境有害的物质。 ② 降解 速度 比普通材料要 快 很多。 ③ 可 采 用填埋的方法处理废弃的可降解材料， 而 且 其 降解产物可作为肥料被重新利用。 ④ 燃烧不完全时 不会产生二口恶英之类的致癌气体。 ⑤ 可 降解材料可采用 再生资源来制备，从而摆脱 石油资源带来的压力。 PBS 生物降解材料概述 PBS 生物降解材料简介 PBS 是一种半 结 晶质热塑性塑料，由丁二酸和丁二醇高效缩聚而成。 PBS 在自然环境中 能被微生物 彻底 分解，属于可完全生物降解材料， 是公认的环境友好型材料 [11]。 PBS 具 备优异 的力学性能和热稳定性 能 ，克服了其它生物降解材料耐热温度低的缺点 ， 而且 PBS 与 PE、 PP 的力学性能相 近 ，在加工设备 上能够 通用 [12]。 PBS 生物降解机理 脂肪族聚醋在微生物的作用下可发生降解，其 降解 过程 为 ：微生物侵蚀 PBS 表面，接着分泌可使 PBS 酯键 产 生 断裂 的酶 使其 水解成 PBS 小片段，最 后 分解成二氧化碳和水 [13]，其微生物降解 过程如图 1 所示。 COO C脂 肪 酶 攻 击 细 菌 、 水 解材 料 表 面 侵 蚀 材 料 碎 片 C O 2 + H 2 O 图 1 PBS降解过程示意图 3 PBS 复合材料 （ 1） PBS 共混改性的研究 PBS 由于 具 备 较高的结晶度 使 其生物降解速 率 较 低，并 且其脆性 较 高 ， 断裂伸长率约为 300 左右 [14]。 于是可以利用 共 混 改性 的方法使 其结晶度 下降， 提高其生物降解速 率 和断裂伸长率。 例如将 PBS 和芳香性 PBT 或 PET 共混 ， 不仅提高两种聚酯的相容性 ，并 且得到 具有 生产和加工性能优良的降解材料。 吕怀兴等 [15]通过机械共混法 ，让 PBS、聚乳酸 （ PLA） 和聚碳酸亚丙酯 （ PPC）熔融共混 ， 制 成 一种可完全生物降解材料 ，优化了生物降解材料的 力学性能和加工性能。 张培娜等 [16]研究扩链后的 PBS/淀粉共混物在土壤中的生物降解性， 研究 发现降解第 8 周后含淀粉 30%的共混物 失 重 为 38g/m2， 而纯 PBS 在相同时间内失重仅为12g/m2。 结果表明， PBS 与其它生物降解材料共混 有利于 提高 PBS 基共混塑料的的生物降 解速度。 （ 2） PBS 与无机材料的复合 PBS 虽然具有良好的生物降解性 能和 优异的加工性能 ， 但 是 生产成本较高 ，不易于推广。 因此， 可以 采用 无机填充物对原聚酯进行掺杂复合 来 提高 PBS 的机械性能 ，同时 可以 降低 生产 成本。 例如， PBS 可以与 碳酸钙等无机填充物质进行 掺杂复合 ，得到 力学 性能 优异 的复合材料 ，而且 这种材料取材广泛，价格低廉，能够充分降解。 生物降解材料评价体系现状 生物降解材料评价标准 随着生物降解塑料进 入 我们的生活 ， 关于 其降解特性的评价标准 也 陆续出台。 国际标准化组织 （ ISO）公 布 了 ISO1485 ISO1692 ISO17556 等标准 [17]。 目前 ， 美国在这个领域做了很多 的 探索 ， ASTM 发布 的标准有：关于生物降解 材 料的测评标准有 ASTMD533892， ASTMD521092 等 [18]。 我国 目前 关于 生物可降解材料的评价 标准 是依据 国际 标准组织已制定的评价标准 以及 参 照 国内具体环境条件而制定。 现已 制定 的标准 有 ：关于塑料的可 堆肥性的标准 GB/T26722020，关于降解塑料类别 与 降解能力的标准 QB/T26702020， 关于降解塑料的类别 与 降解能力的标准 QB/T201972020[19]。 4 生物降解材料评价方法研究现状 可生物降解材料在降解过程中当中是不是会对植物生长产生影响，对其进行生物毒性的测试才是评定可降解材料综合毒性的最具有权威性的办法， 现就将各研究者对这方面已得到的结论举例说明。 王云 [20]等 将 小麦 种植在混有重金属 镉 和 壳聚糖 的 土壤中来探索其对幼苗生长的影响，研究证实了壳聚糖可以减少 土壤中镉的富集，可以大大降低镉对小麦生长产生的不利影响。 顾丽嫱 [21]等通过类似的方法，考察镉对火鹤幼苗生长的影响，结果表明在镉污染土壤中加入壳聚糖可以明显提高叶片 中 叶绿素的含量，促进植物的生长。 Lee[22]等 将 红辣椒、番茄 种植在 掺入 PE和 PVA土壤中来探索这两种物质对 其 生理特性的影响。 研究结果表明： 土壤中 PVA的浓度高低，都会影响红辣椒的正常生长发育， 土壤中 含量为 ％时 抑制 作用最为明显，且对 植株的根部 影响最 强； PVA也 会抑制番茄的生长， 但这种抑制作用较弱。 PE在降解过程中 对这两种植物的生长发育 几乎没有影响，即使其在土壤中的含量 达到 35％。 苏康宇 [23]等人 将 冬小麦 种植在 混入 PSB、 PBScoHS、 PBScoBA 等物质土壤中考察其在降解过程对 冬小麦生 长 的 影响。 研究 表明 ， 土壤中 掺入 PSB等物质 处理对 冬小麦生长在前期表现出促进作用 ， 但在后期 就消除了与空白组的 差异性 ， 这些物质 对冬小麦的生长没有 影响。 选题的目的和研究内容 目前，关于 PBS 材料的研究主要集中在改性和合成上，而对其使用后是否对环境产生影响关注的较少。 实验主要通过培养皿发芽实验和盆栽实验，研究 PBS 复合材料对植物发芽和生 长的影响，使生物降解材料的环境评价体系进一步完善，为这种环保材料的推广和使用提供理论依据。 本 论文主要 从 PBS 复合材料 原料 和 PBS 复合材料 低聚物 、高聚 物等三个方面 ，探讨 其在 降解过程 当 中对种子发芽 率、活力指数、根长、株高等生物量 的影响。 以上实验 方案 ， 有助于完善 PBS 复合材料的 评价体系 ， 并 有利于 生物降解材料的开发和 推广。 5 2 PBS 复合材料原料对植物发芽影响评价 实验部分 实验仪器与试剂 表 21 实验仪器 表 22 实验试剂 其他实验材料： 玻璃仪器： 容量瓶、培养皿、烧杯、量筒、移液管、玻璃棒等玻璃仪器若干 实验种子：选用 植物种子为白种四九菜心种子，购自福州永荣种子有限公司 其他：滤纸、脱脂棉 实验方法 （ 1） PBS 复合材料原料溶液的配制 配置 系列 PBS 复合材料原料 与蒸馏水质量比（ 0、 2 100、 400、 500、 1000、 1500和 2020mg/L）的溶液， 先配制大浓度的溶液再按照相应比例进行稀释。 具体步骤为：因为， PBS 复合材料中丁二酸和 1， 4－ 丁二醇的质量比例为 1:（从大量文献中发现此比例是合成 PBS 的最佳比例） ， CaCO3 质量分数为 5%， 1， 4－ 丁二醇的密度为。 采用 100ml 的容量瓶配制 （ 将 2020mg/L 扩大 10 倍 ） 20200mg/L的 PBS 复合材料原料浓度溶液，再进行依次稀释配得各浓度的 PBS 复合材料原料溶液。 （ 2） 培养皿发芽实验 将 四九菜心 种子分别播于以滤纸支撑物 的培养皿 （ 100mm） 中进行 种子 发芽 实 验。 在 滤纸 上均匀播 20 粒种子，然后用 （ 1） 配制的系列浓 PBS 复合材料原料 溶液浸湿滤纸 ，同时与蒸馏水作为对照，每种浓度和 空白 做两组 平行 实验，为保持种子发芽期间的湿度，在种子上方覆盖一 层 厚度均为 1mm 的 脱脂棉。 每天记录种子的发芽名称 规格 厂家 分析天平 AR124CN 奥豪斯仪器有限公司 试剂 规格 生产厂家 丁二酸 分析纯 天津市福晨化学试剂厂 1， 4－ 丁二醇 分析纯 阿拉丁试剂上海有限公司 碳酸钙 分析纯 天津市福晨化学试剂厂 6 数，考察种子在各浓度下的发芽势、发芽率、芽长、种子子叶颜色以及出苗情况。 （ 3） 发芽势与发芽率公式 =发 芽 势 1 0 0 %规 定 天 数 内 已 发 芽 的 种 子 粒 数供 作 发 芽 的 种 子 总 粒 数（ % ） =发 芽 率 1 0 0 %全 部 发 芽 的 种 子 粒 数供 作 发 芽 的 种 子 总 粒 数（ % ） 结果与讨论 表 23 PBS复合材料原料对四九菜心种子发芽的影响 PBS 复合材料原料对植物发芽的影响 由表 23 可知，空白组，发芽势为 90%、发芽率为 %，当 PBS 复合材料原料浓度为 25mg/L 时，发芽势为 %、发芽率为 90%；浓度为 100mg/L，发芽势为 90%、发芽率为 %；浓度为 400mg/L，发芽势为 90%、发芽率为 90%；浓度为 500mg/L，发芽势为 90%、发芽率为 90%。 实验数据说明， PBS 复合材料原料浓度 为 0~500mg/L，对种子的发芽势和发芽率 没有明显 影响，种子 的 发芽 率 保持在 90%~100%。 PBS 复合材料原料浓度为 1000mg/L，发芽势为 %、发芽率为 70%；浓度为1500mg/L，发芽势为 40%、发芽率为 %；浓度为 2020mg/L，发芽势为 %、发 浓度 指标 PBS 复合材料 原料 浓度 （ mg/L） 0 25 100 400 500 1000 1500 2020 发芽率 （ %） 90 90 90 70 发芽势 （ %） 90 90 90 90 40 3天后种子 子叶 颜色 绿色 绿色 绿色 绿色 淡黄绿色 黄色 黄色 黄色 3 天后芽长 5天后出苗情况 株 高 2~，均长出第一对子叶 株高 ~， 均未长出第一对子叶 ， 脱脂棉有发霉现象 7 芽率为 %。 实验数据 说明 ， PBS 复合材料原料浓度在 1000~2020mg/L 时，会大大降低种子的发芽势和发芽率，会抑制种子的发芽。 PBS 复 合材料原料对植物芽长及出苗情况的影响 由表 23 可知， 3 天后，空白组种子为绿色，芽长为 ；浓度为 25mg/L，种子为绿色，芽长为 ；浓度 为 100mg/L，种子为绿色，芽长为 ；浓度为 400mg/L，种子为绿色，芽长为 ；浓度为 500mg/L，种子为淡黄绿色，芽长为。 结果 说明 ， PBS 复合材料原料浓度 为 0~500mg/L，不会对种子幼苗生长产生影响，且由图 21 可知， 5 天后株高在 2~，均长出第一对子叶。 当浓度为 1000mg/L，种子为黄色，芽长为 ；浓度为。