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        可降解非織造材料在土木工程中的應用進展

        作者: 竟客網 發布時間: 2021年07月12日 17:14:48

          隨著我國基礎設施建設的擴大,非織造材料在土木工程領域的應用獲得迅猛發展,其用量從20世紀90年代初的17.1萬t發展到2000年的超過29.2萬t,非織造型土工織物占全部土工織物用量的比例已達73%。隨著全球工業經濟的發展,高分子材料一次性產品大量使用,但丟棄后卻難以快速降解,造成大量廢棄物堆積。這些廢棄物增加了環境負擔,引起廣泛而深遠的負面影響,成為亟待解決的環境危機。在土木工程領域,并非所有材料都要求具有優異的耐久性。針對植被保護、農作物養護等特殊的應用場景,聚乳酸(PLA)纖維等一些可降解非織造材料也進入土工復合材料領域,它們有望在實現土工復合材料所要求的力學性能和適宜耐久性的同時,兼顧環保問題。

          可降解非織造材料的降解原理

          相較于其他材料,在土木工程領域應用的可降解非織造材料,并不要求其具有優異的耐久性,只需在預期時間段內保持設定的性能,所以此類應用主要是發揮材料的環保性和時效性,而這些都基于材料的可降解性能。無論是材料熱力學意義上的降解,還是動力學意義上的降解,均是由外部環境因素的改變造成的,土木工程在線,包括溫度、濕度、微生物等。

          光降解

          在材料分子鏈中引入對光敏感的羰基等基團,當材料在光照作用下時,環境中的氧氣、大氣中的水分等使材料發生氧化還原反應,分子鏈發生斷裂,宏觀上表現為材料的老化,如變脆、變軟、發硬、發黏發黃,力學性能漸漸喪失,形貌形態解體,最終材料降解。一方面,光因素直接決定材料的降解程度,材料的曝光面可徹底降解,但背光面降解則比較難;另一方面,材料降解與光敏劑的含量有關,如E/CO就屬于乙烯/一氧化碳共聚物合成類型的降解材料,其降解速度與主鏈中的酮基含量有關,光輻射充足的情況下,數天就能完全降解。利用這一原理,可以在某些材料中添加光敏劑,即能以極低的成本、簡單的工藝使普通材料獲得光降解性能。如在聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)等聚合物中添加適量的酮類、胺類光敏劑,均可使其獲得優良的光降解性。這類光降解塑料的降解誘導期可控制在兩個月以上,但降解進程可控性較差。

          典型光降解高分子材料及應用

        可降解非織造材料在土木工程中的應用進展

          溫度降解

          材料在使用過程中,隨著環境溫度的急劇變化,分子鏈會發生小規模降解,微觀解釋是溫度的作用是通過原子的熱運動來實現的,無規律的熱漲落造成分子水平上的能量分布不均,使得一部分原子的能量首先超過斷鍵活化能,發生化學鍵斷裂。而在具體的使用環境中,往往是多種因素的協同作用,使材料分子鏈降解加速。通常這種降解并不是十分劇烈,整個降解過程相對漫長。

          生物降解

          生物降解是通過環境中自然存在的真菌、細菌等微生物的呼吸作用,以及昆蟲的啃食等使材料被蠶食或分解為乙醇、二氧化碳、水等小分子,從而實現自然降解的過程。天然纖維、再生纖維素纖維、PLA等合成材料都具有良好的生物降解性。

          PLA又稱聚丙交酯,是以微生物發酵產物乳酸為單體聚合而成的。使用后可降解,不會污染環境。PLA可以被加工成力學性能較好的纖維和薄膜。PLA膜具有和玻璃紙膜相似的折疊形狀穩固性和扭結保持性、優良的光澤度、高阻隔性、抗油性、高結晶透明度,霧度極小,同時具有良好的透氣性、透氧性及透二氧化碳性,具有隔離氣味的特性,還是能抗霉的生物可降解塑料。PLA在生物體內可被水解成乳酸和乙酸,并經酶代謝為CO2和H2O,即便被焚化,PLA燃燒熱值與紙類相同,是傳統塑料(如PE)的一半,且不會釋放出氮化物、硫化物等有毒有害氣體,因而很適合作為地膜使用。

          近年來有一些對聚丙烯基、聚烯烴進行接枝使之獲得可降解性能的研究。如DEVK等用丙烯酸接枝的方法來改善丙烯酸接枝聚丙烯的生物降解性能,在90.5%的接枝率時可達到6.85%的最大生物降解率,表明堆肥中的微生物可以降解丙烯酸接枝聚丙烯。

          此外,聚烴基脂肪酸酯(PHA)是由細菌合成的一種細胞內聚酯,具有生物可降解性、生物相容性等許多優良性能。其中最常見的有聚3-羥基丁酸酯(PHB)、聚羥基戊酸酯(PHV)、PHB和PHV的共聚物(PHBV)等。作為具有優異性能的可生物降解材料,水利工程施工,PHA的重要性不言而喻,但是由于工藝水平的限制,且原料價格高昂,其應用還集中在一些要求更高的特殊領域。

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