生物活性剂—聚乙烯醇在可环境消纳塑料中的应用

摘要

本文以材料与环境协调发展的生态设计理念为指导思想，从材料和环境两个角度对聚乙烯醇(PVA)在可环境消纳塑料中的应用进行了研究。 　　首先，对材料本身而言，以具有良好的环境相容性的生物活性剂PVA作为可环境消纳塑料的添加剂，利用其良好的配位能力和模板效应，通过尿素水解法合成了一系列具有PVA和／或稀土离子修饰的晶须碳酸钙，为其在可环境消纳塑料材料中的进一步应用提供理论与应用基础：　　其次，从环境角度出发，研究PVA本身在环境中的降解过程，从被PVA污染的环境中分离得到一株能以PVA为唯一碳源和能源进行生长的PVA降解菌株。根据该菌株的形态、生理生化特性及其16S rDNA基因序列的测定结果，鉴定该菌属于委内瑞拉链霉菌(Streptomyces venezuelae)，将其命名为Streptomyces sp.PVA。进一步对该菌株的培养条件和营养条件进行了优化，并通过紫外可见扫描和凝胶渗透色谱等手段研究了该菌株的对PVA的降解特性。 关于该菌株能降解PVA尚属首次报道，为PVA的生物降解提供了新的菌种资源，在环境微生物学理论研究和实际应用中都有一定的意义，特别是对可环境消纳塑料材料与环境的协调发展更具有现实意义。 可环境消纳塑料是一种环境友好塑料材料，具有良好的环境相容性，其废弃物能在光、热、氧、应力、水和微生物等各种环境因素的作用下，实现与环境的同化。在保证材料性能的同时，又体现了环境对其良好的消纳过程，这就是典型的生态设计指导下的高分子材料研究。 材料与环境的协调发展是人与自然和谐发展的研究方向之一，将材料与环境作为一个整体来研究正是适应了这一主流，在这一生态设计理念的指导下，我们对生物活性剂——聚乙烯醇(PVA)在可环境消纳塑料材料中的应用进行了基础理论研究。 在资源日趋贫乏和短缺的当代社会，无机粉体在可环境消纳塑料中的应用，不仅可以减少不可再生资源的使用量，缓解石油等主体资源的压力，还有利于塑料材料更好的与环境相容。晶须碳酸钙作为一种无机粉体，应用在塑料材料中，体现了良好的材料性能。经过PVA和／或稀土离子修饰过的晶须碳酸钙，增强了其作为塑料助剂的功能。 本文的绪论部分在综述了PVA的广泛应用的基础上，提出了PVA在应用于可环境消纳塑料的无机粉体制备过程中的新的应用领域，即作为模板剂合成具有特殊形状的晶须碳酸钙，并对PVA体系进行改进；同时对PVA本身的环境同化问题也提出了以化学氧化降解进行预先处理，再进行微生物降解的措施，可以既保证同化的速度，同时也减少了因化学氧化剂的大量使用而引入的二次污染问题。 实验部分是以材料与环境协调发展的生态设计理念为指导思想，围绕以下两个方面对聚乙烯醇在可环境消纳塑料材料中的应用进行了基础性的研究： 首先，对材料本身而言，我们利用具有良好性能的水溶性聚合物PVA作为可环境消纳塑料配方成分之一。利用PVA较强的配位能力和模板效应，通过尿素水解法合成了一系列具有较大长径比的晶须碳酸钙，同时，也将稀土离子引入到晶须碳酸钙的合成过程中，产生了具有PVA和稀土修饰的产物。在已有的研究基础上，充分利用尿素水解制备晶须碳酸钙具有合成工艺简单、条件易于控制、晶须含量高等优点，克服了该过程产率低和晶须的长径比小等缺点，制备了一系列PVA体系下的晶须碳酸钙；采用PVA和／或稀土原位改性尿素水解法制备晶须碳酸钙，可以降低反应压力、减少尿素用量、缩短反应时间、提高产率，合成的晶须碳酸钙结晶完整、长径比大于10；晶须碳酸钙在可环境消纳塑料中的应用研究表明其可增强、增韧PE塑料材料，提高可环境消纳PE塑料材料的力学性能，同时，晶须碳酸钙与PE塑料相容性能好，可以改善可环境消纳PE塑料材料的加工流动性能，促进PE塑料材料的光氧化降解，在PE塑料废弃物焚烧处理时，还可抑制或减少有害气体的产生，促进PE塑料焚烧完全，因而具有良好的应用前景。 其次，从环境角度出发，利用PVA的可生物降解性能，从被PVA污染的环境中分离、筛选和驯化PVA降解菌株，从而得到了一株能够以PVA为唯一碳源和能源的微生物菌株，通过凝胶渗透色谱(GPC)对降解前后的PVA进行检测，发现在降解后的PVA的GPC曲线上产生了一个小分子量的峰(保留时间约为9min)，证明了在该微生物菌株的作用下PVA发生了降解。于是，通过16SrDNA序列分析法对该菌株进行鉴定，结果表明：该菌株与委内瑞拉链霉菌(Streptomyces venezuelae)砖红链霉菌(Streptomyces lateritius)和脱叶链霉菌(Streptomyces exfoliatus)的同源性都高达99％；进一步的菌株培养特征及生理生化鉴定初步判定该PVA降解菌株属于Streptomyces venezuelae，定名为Streptomyces sp．PVA。进而，对该菌株的降解特性进行了研究，主要包括不同PVA起始浓度，不同氮源和FR预氧化处理对PVA降解菌株降解PVA效果的影响。结果表明：培养该PVA降解菌的最佳PVA起始浓度为10g／L；有机氮源对PVA降解菌株生长促进作用明显，较无机氮源或混合氮源好，其中，酵母浸出汁的效果最好；采用低浓度Fenton试剂(FR)对PVA预氧化处理，可以促进PVA降解菌株对PVA的微生物降解。这样既利用了FR的快速降解的优点，同时，也减少了该降解过程中的FR的用量，既快速又环保。在分析PVA降解过程中，通过吸收传统分析方法的优点建立了一套可行的快速分析降解过程中PVA浓度变化的方法，结果表明：通过紫外可见扫描以及分光光度法可以对PVA生物降解和化学降解过程中的浓度的测定进行跟踪分析，目前已建立了一套可以快速跟踪测定PVA在各降解过程中的剩余率，取得较好的应用效果。 上述研究秉承了生态设计的思想精华，为生物活性剂PVA在可环境消纳塑料材料中的进一步应用奠定了基础。 摘要：尿素水解法合成晶须碳酸钙，是研究中采用的一种新的制备文石型碳酸钙的方法。该方法具有合成工艺简单、条件易于控制、文石型结晶物含量高等优点，但也存在产率低(水／尿素比20／l)、能耗高(高压)和晶须的长径比小等缺点：本研究利用尿素水解法，以聚乙烯醇(PVA)和稀土(氯化镧)为原位改性剂，合成了晶须碳酸钙并通过改性剂进行原位修饰；初步研究了合成条件对晶须产率和结构的影响，并采用生物显微镜、SEM、TG和XRD等方法对晶须进行了表征。结果表明，在PVA和稀土体系下，通过尿素水解法，可以在较低压力、较少尿素用量和较短反应时间的条件下，合成晶型完整、长径比大于10的文石型碳酸钙，并提高了产率；采用SEM、MFR和DMTA对可环境消纳聚乙烯／晶须碳酸钙共混材料进行了表征，结果表明，所制备的晶须碳酸钙有效提高了光钙型可环境消纳塑料的力学性能和加工流动性，作为可环境消纳塑料材料的增强、增韧剂具有良好的应用前景。 2.1 前言 碳酸钙是一种十分常见的无机材料，在自然界中大量存在，廉价易得，且来源于自然并可回归于自然。应用于环境友好塑料材料，可开发出光钙型可环境消纳塑料<'[1]>。碳酸钙从晶体结构上可分为方解石、文石、球霰石等三种晶型<'[2]>。　　方解石型碳酸钙外形为立方体或纺锤体，目前在塑料材料中使用的碳酸钙填充材料大都是方解石型的。由于方解石型碳酸钙一般都有一定的缺陷，如空穴、杂质、颗粒界面、结构不完整等，因而添加这种无机材料会明显降低塑料材料的力学性能。但文石型则是具有针状的特殊晶体，一般长径比大于10，截面积小于52×10<'-5>cm<'2>，结构上几乎不存在缺陷，这种晶须材料具有高强度、高模量、耐热与隔热性能好等优点，是一种力学性能十分优异的新型无机增强材料<'[2-4]>。且由于其特殊的针状外形，使它在作为塑料的增强材料时，与基体树脂的相容性较好，可以改善制品的加工性能、提高力学性能，赋予塑料制品高表面光洁度和耐磨性能。因此可有效地提高可环境消纳塑料的力学性能和加工流动性。　　前期关于光钙型多功能环境友好材料的研究结果表明，将少量针状的具有特殊晶体结构碳酸钙与普通碳酸钙混合使用时，晶须碳酸钙在加工过程中的剪切力的作 第3章聚乙烯醇降解菌株的筛选、鉴定及降解特性研究 摘要：通过分离、筛选和驯化，从土壤中培养出一株对PVA降解能力较强的微生物菌株；经过生理生化鉴定以及16S rDNA鉴定初步判断本研究筛选、驯化得到的PVA降解菌株为“委内瑞拉链霉菌”(Streptomyces venezuelae)，将其定名为Streptomyces sp．PVA；结合传统分析方法，建立了PVA降解过程中PVA剩余率的跟踪测定的快速检测体系：采用改进的分析方法体系对该菌株的降解特性进行了研究，探讨了该菌株降解PVA的最佳营养条件和培养条件；通过研究PVA降解菌株与Fenton试剂(FR)氧化法降解PVA的对比实验，得出了综合生物法和化学法处理含PVA废弃物可以取得较好的试验效果的结论；经查新未见Streptomyces sp．PVA菌株可降解PVA的报道。

目录

摘要

中文文摘

第1章绪论

第2章晶须碳酸钙的原位改性合成、结构表征及应用

第3章聚乙烯醇降解菌株的筛选、鉴定及降解特性研究

结论

附录

攻读学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

个人简历

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