由石油資源制成的塑料因其成本低、種類多和長使用壽命而廣泛應用于醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和建筑領域。然而，石油基塑料具有高分子量、高鍵合能和強疏水性等特點，很難被微生物降解，它們在環(huán)境中長期存在和積累，造成了嚴重的環(huán)境問題。隨著石油資源的枯竭和環(huán)境問題的加劇，在落實“雙碳”行動的背景下，豐富且可利用的生物質(zhì)資源制備的生物塑料表現(xiàn)出成本低、可持續(xù)性、可生物降解、碳足跡低等優(yōu)點，被認為是石油基塑料的有前途的替代品。
玉米秸稈由于利用率低，經(jīng)常被丟棄，造成嚴重的資源浪費。因此，利用廢棄物和豐富的全玉米作為原料來替代石油資源具有重要意義。生物降解料近日，東北林業(yè)大學宋永明教授團隊提出了一種簡單有效的溶出-再生策略，以制備具有優(yōu)異機械性能、耐水性、耐熱性、低碳足跡、易回收和生物降解性的全玉米生物塑料。該策略充分利用了生物質(zhì)資源的優(yōu)勢，從而消除了包括純化、分離、聚合和改性在內(nèi)的復雜過程，并且對環(huán)境友好。將全玉米溶解在綠色、溫和、高效的金屬鹽體系（ZnCl2/AlCl3系統(tǒng)），再生淀粉、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素相互纏結并離子交聯(lián)，形成高密度結構的全玉米生物塑料。所獲得的全玉米生物塑料結構致密，顯示出優(yōu)異的機械性能(78.5 MPa)、水穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、易于回收，且可以被微生物完全分解，表現(xiàn)出閉環(huán)循環(huán)特性。這種完全基于生物質(zhì)資源簡單溶解再生合成的高性能、可持續(xù)生物塑料，為生物塑料的大規(guī)模發(fā)展提供了一種潛在的可能，也有望成為傳統(tǒng)石油基塑料最有潛力的替代品。
研究人員采用簡單的、綠色的溶解再生法直接將儲量豐富的全玉米轉化為全玉米生物塑料(圖1)。將全玉米轉化為生物塑料，應將全玉米預先解構，研究人員選擇了原料易得、綠色高效、可回收的無機鹽溶劑體系(ZnCl2/AlCl3體系)，通過破壞纖維素分子之間及其和各組分間的氫鍵來有效的解構全玉米。具體而言，在ZnCl2/AlCl3體系中離子半徑小、電荷密度高的Al3+離子首先破壞了纖維素O3H-O5之間的氫鍵，然后Zn2+離子進入結構相對疏松的纖維素內(nèi)部，協(xié)同破壞纖維素的氫鍵，導致更多的氫鍵進一步斷裂，纖維素之間及其和各組分間的網(wǎng)絡被破壞從而實現(xiàn)有效解構。后在乙醇體系中，淀粉、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等原位再生，通過強烈的氫鍵相互作用形成粘稠的漿料，而漿料可被簡單澆筑在聚四氟乙烯板上，獲得全玉米生物塑料。生料降解料廠家
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圖1 全玉米生物塑料的溶解再生制備、回收、降解和閉環(huán)循環(huán)示意圖
全玉米溶解再生得到的全玉米生物塑料是棕黃色的、半透明的，具有平坦的表面和均勻的結構(圖2)，全玉米生物塑料展現(xiàn)出相當?shù)娜嵝?/strong>，可以任意的彎曲，不會造成任何的破壞。掃描電子顯微鏡(SEM)圖片顯示，熱壓后的全玉米生物塑料表面更加光滑、致密，這是由于熱壓有助于致密化和消除孔隙。EDS如圖所示，顯示了全玉米生物塑料的元素及含量，全玉米生物塑料中含有豐富的Zn2+和Al3+離子，說明在淀粉、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素再生、氫鍵重建和相互纏結致密化的過程中，大量Zn2+和Al3+離子被洗滌，但仍有部分存在并參與氫鍵網(wǎng)絡重構，從而提高了交聯(lián)密度，增強了材料性能。
全玉米生物塑料表現(xiàn)出非凡的機械性能，拉伸強度達78.5 MPa，顯著優(yōu)于纖維素生物塑料(45.0 MPa)和淀粉生物塑料(9.2 MPa)，且有不錯的斷裂伸長率(17.2%)，表現(xiàn)出相當?shù)捻g性(圖3)，這種全玉米生物塑料拉伸強度強于大多數(shù)商業(yè)塑料。全玉米生物塑料浸泡在去離子水中1 h吸水率僅為10.5%，浸泡在水中24 h水溶解不足3.0%，其耐水性能遠高于淀粉生物塑料和纖維素生物塑料。接觸角測試結果顯示初始角度為71.62°，保持10 min后仍可達67.61°，充分說明了全玉米生物塑料表面水分子難以滲透；且將其長久浸泡于水中4周仍可保持結構穩(wěn)定，維持原始形貌，上述結果表明全玉米生物塑料水穩(wěn)定性顯著強于普通生物塑料。生料降解料批發(fā)
全玉米生物塑料在環(huán)境中逐漸變得薄而脆，進而斷裂破碎，在四個月后全玉米生物塑料被微生物降解至完全消失，全玉米生物塑料被轉化為營養(yǎng)物質(zhì)、水、CO2并返回碳循環(huán)，其中Zn、Al元素也作為供給植物的營養(yǎng)物質(zhì)再次被利用參與循環(huán)，全玉米生物塑料在其生命周期結束時表現(xiàn)出完美的閉環(huán)循環(huán)，幾乎不會造成環(huán)境壓力。全玉米生物塑料同時表現(xiàn)出良好的可回收和可再生性。廢棄的全玉米生物塑料完全粉碎并充分勻漿形成漿料，重新澆筑可得到全新的全玉米生物塑料，從而實現(xiàn)全玉米生物塑料的回收、再生，且再生得到的生物塑料仍具有較好的機械性能(52.6 MPa)(圖3)。處理過程中通過簡單的蒸發(fā)回收金屬鹽溶液，并通過蒸餾回收乙醇，也可實現(xiàn)閉環(huán)材料回收，從而提高該工藝的經(jīng)濟可行性、降低環(huán)境影響。
在本研究中，用于制備生物塑料的原材料是物產(chǎn)豐富的全玉米，且全玉米生物塑料的制備工藝流程簡單，涉及到的化學品極少，故環(huán)境影響較小。我們將全玉米生物塑料的環(huán)境影響與兩種常見的塑料聚氟乙烯(PVF)和聚乳酸(PLA)進行了比較，全玉米生物塑料的MATEP、ADP-fossil、FATEP、GWP、HTP、TEP、AP、EP、POCP、ADP、ODP結果均顯著低于常見的石油基塑料PVF，且全玉米生物塑料的環(huán)境影響也低于傳統(tǒng)的生物基可降解塑料PLA。全玉米生物塑料較低的密度、優(yōu)異的機械性能、可回收性、可生物降解性和完美的閉環(huán)循環(huán)也將會帶來一系列LCA所未包含的額外的環(huán)境效益，進一步說明將制備塑料的能源利用從石油資源轉向生物質(zhì)資源，可以大幅減小塑料使用的環(huán)境影響。
圖5 全玉米生物塑料的環(huán)境影響
本研究開發(fā)了一種綠色、簡單、溫和的溶出再生方法，制備了具有優(yōu)異機械性能、耐水性、可回收性、生物降解性和低環(huán)境影響的全玉米生物塑料。該方法通過金屬鹽溶液溶解全玉米，并從乙醇體系中再生，再生木質(zhì)素、纖維素、半纖維素、淀粉通過強烈的氫鍵相互作用形成粘稠的漿料，漿料用于澆筑成型。所得到的全玉米生物塑料具有優(yōu)異的機械性能、耐水性和熱穩(wěn)定性。生物塑料可以通過簡單的機械粉碎回收利用，也可以在幾個月內(nèi)完全生物降解，實現(xiàn)閉環(huán)循環(huán)。生命周期評估顯示，全玉米生物塑料對環(huán)境的影響低于石油基塑料(PVF)和可生物降解塑料(PLA)。這種簡單、綠色、低成本的制備工藝和高性能、可回收、可生物降解的產(chǎn)品為利用豐富的生物質(zhì)資源大規(guī)模制備生物塑料提供了新的選擇，也有望為減少石油資源的消耗提供新的機會。
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