由石油資源制成的塑料因其成本低、種類(lèi)多和長(zhǎng)使用壽命而廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和建筑領(lǐng)域。然而，石油基塑料具有高分子量、高鍵合能和強(qiáng)疏水性等特點(diǎn)，很難被微生物降解，它們?cè)诃h(huán)境中長(zhǎng)期存在和積累，造成了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。隨著石油資源的枯竭和環(huán)境問(wèn)題的加劇，在落實(shí)“雙碳”行動(dòng)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(diǎn)，被認(rèn)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(yán)重的資源浪費(fèi)。因此，利用廢棄物和豐富的全玉米作為原料來(lái)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(xué)宋永明教授團(tuán)隊(duì)提出了一種簡(jiǎn)單有效的溶出-再生策略，以制備具有優(yōu)異機(jī)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(shì)，從而消除了包括純化、分離、聚合和改性在內(nèi)的復(fù)雜過(guò)程，并且對(duì)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(jié)并離子交聯(lián)，形成高密度結(jié)構(gòu)的全玉米生物塑料。所獲得的全玉米生物塑料結(jié)構(gòu)致密，顯示出優(yōu)異的機(jī)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(jiǎn)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(jiǎn)單的、綠色的溶解再生法直接將儲(chǔ)量豐富的全玉米轉(zhuǎn)化為全玉米生物塑料(圖1)。將全玉米轉(zhuǎn)化為生物塑料，應(yīng)將全玉米預(yù)先解構(gòu)，研究人員選擇了原料易得、綠色高效、可回收的無(wú)機(jī)鹽溶劑體系(ZnCl2/AlCl3體系)，通過(guò)破壞纖維素分子之間及其和各組分間的氫鍵來(lái)有效的解構(gòu)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(jìn)入結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松的纖維素內(nèi)部，協(xié)同破壞纖維素的氫鍵，導(dǎo)致更多的氫鍵進(jìn)一步斷裂，纖維素之間及其和各組分間的網(wǎng)絡(luò)被破壞從而實(shí)現(xiàn)有效解構(gòu)。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(guò)強(qiáng)烈的氫鍵相互作用形成粘稠的漿料，而漿料可被簡(jiǎn)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(chǎng)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(jié)構(gòu)(圖2)，全玉米生物塑料展現(xiàn)出相當(dāng)?shù)娜嵝?/strong>，可以任意的彎曲，不會(huì)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(shuō)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(jié)致密化的過(guò)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(luò)重構(gòu)，從而提高了交聯(lián)密度，增強(qiáng)了材料性能。
全玉米生物塑料表現(xiàn)出非凡的機(jī)械性能，拉伸強(qiáng)度達(dá)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(cuò)的斷裂伸長(zhǎng)率(17.2%)，表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)捻g性(圖3)，這種全玉米生物塑料拉伸強(qiáng)度強(qiáng)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(yuǎn)高于淀粉生物塑料和纖維素生物塑料。接觸角測(cè)試結(jié)果顯示初始角度為71.62°，保持10 min后仍可達(dá)67.61°，充分說(shuō)明了全玉米生物塑料表面水分子難以滲透；且將其長(zhǎng)久浸泡于水中4周仍可保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，維持原始形貌，上述結(jié)果表明全玉米生物塑料水穩(wěn)定性顯著強(qiáng)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(jìn)而斷裂破碎，在四個(gè)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(zhuǎn)化為營(yíng)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(yíng)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(jié)束時(shí)表現(xiàn)出完美的閉環(huán)循環(huán)，幾乎不會(huì)造成環(huán)境壓力。全玉米生物塑料同時(shí)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(shí)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(jī)械性能(52.6 MPa)(圖3)。處理過(guò)程中通過(guò)簡(jiǎn)單的蒸發(fā)回收金屬鹽溶液，并通過(guò)蒸餾回收乙醇，也可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)材料回收，從而提高該工藝的經(jīng)濟(jì)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(jiǎn)單，涉及到的化學(xué)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(jiàn)的塑料聚氟乙烯(PVF)和聚乳酸(PLA)進(jìn)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(jié)果均顯著低于常見(jiàn)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(jī)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(huì)帶來(lái)一系列LCA所未包含的額外的環(huán)境效益，進(jìn)一步說(shuō)明將制備塑料的能源利用從石油資源轉(zhuǎn)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(kāi)發(fā)了一種綠色、簡(jiǎn)單、溫和的溶出再生方法，制備了具有優(yōu)異機(jī)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(guò)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(guò)強(qiáng)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(jī)械性能、耐水性和熱穩(wěn)定性。生物塑料可以通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械粉碎回收利用，也可以在幾個(gè)月內(nèi)完全生物降解，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)循環(huán)。生命周期評(píng)估顯示，全玉米生物塑料對(duì)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(jiǎn)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(jī)會(huì)。
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