容易断裂的可降解塑料

杨栩旭，Json Steck ，杨加伟，王叶成，锁志刚,*

a John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, Kavli Institute for Bionano Science and Technology, Harvard University, Cambridge, MA 02138, USA

b State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic System, Key Laboratory of Soft Machines and Smart Devices of Zhejiang Province, Department of Engineering Mechanics & Center for X-Mechanics, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China

1. 引言

可降解塑料随着聚合物工业的兴起而被研制并得以快速发展，其在包装产业[1]、农业[2]和医药行业[3,4]得到广泛应用。它们被用来取代不可降解的塑料以减少环境污染[5]。可降解聚合物在包括臭氧[6]、水[7]、腐蚀性物质[8]、pH值[9]、酶[10]、机械载荷[11]和温度[12]等外界环境激励作用下，逐渐分解成低分子量聚合物链或小分子。塑料在降解的动态过程中必须同时满足一对相互冲突的基本需求，即功能性与可降解性。

降解的动态过程往往通过研究材料质量与力学强度随时间的变化来实现[13]。例如，将胶原材质的缝合线置于37 ℃的酶溶液中，以此测量和表征其质量和强度（在一天后分别下降50%和10%）[14]。将聚（四氟乙烯）样品置于加热气流中，使其温度以10 ℃·min-1的速率升高，以此测量和表征其质量，即在550 ℃以下缓慢下降，当温度达到约600 ℃时急剧下降[15]。上述表征方法在材料均质降解时保持其有效性，然而当塑料发生非均质降解时，这些表征方法所得的结果却具有误导性。事实上，材料的非均质降解更为普遍。例如，材料在较小的外力作用下，其裂纹型缺陷的扩展速率比整体降解速率几个数量级[16]。上述情况中的裂纹扩展现象通常被称为腐蚀性断裂，其在金属、陶瓷和无机玻璃中已经得到了广泛的研究[17,18]。同时也有大量关于聚合物腐蚀性断裂的研究，也被称为环境应力断裂[19,20]。例如，弹性体中典型的天然橡胶因臭氧而开裂的现象就是一种环境应力断裂[6,21]。……