背景:在全球塑料污染治理与限塑政策强化的双重背景下,加快可持续生物塑料的研发应用以取代传统石油基塑料,已成为缓解环境压力、促进绿色发展的关键举措。传统塑料不仅因其难降解性导致微塑料在生态环境中持久蓄积,威胁生物多样性,其生产过程还伴随着高能耗和有毒化学物质排放等环境风险。而生物塑料凭借原料可再生、工艺简单、可自然降解等优势,展现出显著的环保替代价值。这类材料不仅能来源于生物质资源,还可以快速分解为环境友好型物质,有效降低生态系统的长期负荷,更通过“生产-使用-降解”的闭环循环,真正实现了“从自然中来,回自然中去”的可持续发展理念,为破解白色污染难题提供了科学可行的路径。
近日,武汉大学邓红兵教授、赵泽副教授等人成功利用天然废弃物生物质资源向日葵花粉与棉花纤维,最小预处理后形成微尺度生物材料,自然干燥后两种微尺度生物材料共组装形成纤维-花粉层压致密结构的新型生物塑料。该生物塑料展现出卓越的力学性能,其拉伸强度可达52.22 MPa,杨氏模量达2.24 GPa,媲美绝大部分的石油基塑料和可降解塑料。还能通过水进行水塑形和水拼接的二次加工,并且轻松实现循环利用和完全生物降解(图1)。该生物塑料在生产-使用-处置的全过程都无需复杂的化学处理或昂贵的设备,同时还兼具良好的水加工特性、循环利用性和生物降解性,展现了极高的环境友好性和经济可行性,为解决塑料污染问题提供了创新性解决方案。相关研究成果以“Coassembly of hybrid microscale biomatter for robust, water-processable, and sustainable bioplastics”发表于《Science Advances》。武汉大学博士生邱奕瑾和新加坡国立大学研究员张大川为文章共同第一作者,该研究得到国家自然科学基金委和中央高校基本科研业务费专项资金项目的支持。
图1 微尺度生物材料共组装生物塑料的制备、水加工性、循环利用性和可持续性。
结构与化学相互作用:微尺度生物材料纤维与花粉微凝胶的协同效应
通过脱脂和热碱处理对天然花粉进行改性,成功将其坚硬的外壳转化为柔软、中空且无致敏性的花粉微凝胶,这一过程不仅使花粉颗粒因吸水膨胀而在高浓度下发生聚集,还赋予微凝胶优异的粘度和稳定性(图2A-D)。同时,天然棉花经除杂和均质化处理后,形成均匀分散的纤维悬浮液(图2E-F)。当两者在稀释状态下混合时,可形成稳定的浆料,便于刮涂工艺实现规模化制备(图2G-H)。
在水分蒸发过程中,花粉微凝胶受界面张力作用逐渐被压缩成平行排列的层状结构,而纤维则随机分布于其中。完全干燥后,微凝胶折叠成紧密堆叠的片层,并被纤维网络牢固包裹,最终形成纤维-花粉层压复合结构(图2I-L)。此外,花粉微凝胶表面的羧基(-COOH)和羟基(-OH)与纤维素羟基(-OH)之间形成分子间氢键,使花粉(绿色)作为连续基质紧密填充于纤维(红色)构建的三维网络骨架中(图2M-O),这种多尺度相互作用赋予材料优异的力学性能和结构稳定性。
图2 纤维和花粉微凝胶之间的结构和化学相互作用。
生物塑料的结构特征和力学性能分析
该生物塑料巧妙利用了两种微尺度生物材料的天然结构优势,通过相互交织形成了一个稳定且致密的纤维-花粉层压结构,这种独特的互穿网络结构不仅赋予了生物塑料良好的光学性质,同时保证了结构的稳定性和致密性(图3A-F)。力学性能测试表明,含有30%纤维的样品表现出了卓越的力学性能,其拉伸强度达到了52.22 MPa,杨氏模量为2.24 GPa,断裂伸长率为6.15%。这些数值表明,该生物塑料的力学性能不仅与广泛使用的热塑性塑料和生物可降解塑料相当,甚至在某些方面更为优越(图3G-I)。此外,生物塑料的拉伸断裂表面相对较为平整,这一特性归因于三维纤维网络作为刚性骨架,通过相互缠结形成有效的应力传递路径,同时,花粉片层基质通过高密度的氢键作用与纤维界面形成强结合,有效地填充并连接了纤维网络(图3J-L)。这种结构设计实现了生物塑料整体性能的提升,使材料在保持高强度的同时还获得良好的韧性,为其在实际应用提供了结构基础。
图3 生物塑料的结构和力学性能
通过水辅助成型和粘贴,实现环保可塑性
在传统商业塑料的加工过程中,通常需要依赖高温运行的能源密集型复杂设备,然而,在本研究中采用了一种更为环保且节能的方法来加工生物塑料。具体而言,通过简单的浸泡、固定和干燥步骤,成功地将生物塑料中的纤维-花粉层压致密结构网络重新组装,实现了对其形状的有效塑形(图4A-B)。此外,还探索了一种创新的水辅助粘贴技术,仅使用水即可将两片独立的生物塑料牢固地粘合在一起。这一过程与成型过程类似,生物塑料的浸水部分沿连接界面能够自适应并重新组装,待水分蒸发后,两个表面便能成功相互嵌入(图4C-F)。值得注意的是,经过这种水辅助粘贴处理后的生物塑料,其力学性能依然保持在较高水平(图4G-I)。这表明,水辅助粘贴不仅有效地保留了天然材料的原有性能,还为生物塑料的几何和功能多样性开辟了新的可能性,使其在可持续材料领域展现出更广阔的应用前景。
图4 生物塑料的水辅助塑形和拼接
多维度和多功能的应用
通过重复的浸泡和干燥过程,这种生物塑料能够被可逆地加工成多种不同的形状,即使经过多次水塑循环,其机械强度也并未减弱,同时还能实现复杂形状的设计和成型(图5A-C)。水粘贴技术也能够将扁平的生物塑料转化为复杂的三维形状,如莫比乌斯带、蝴蝶结和花朵(图5D)。此外,水粘贴还可以用于连接不同的水成型生物塑料部件,成功仿生自然界的石斛螺旋等复杂形态(图5E)。为考虑实际应用性,探索了不同相对湿度(RH)水平下(30%、60%和90%)的机械性能,虽然湿度越高其力学强度略有下降,但在RH90%时,其拉伸强度值(约37 MPa)仍与常见塑料相当(图5F)。基于顺序水塑形和水拼接技术,设计了一个方形承重结构。这种结构化的生物塑料仅重0.1克,却能在不同湿度条件下承受高达1000克的重量(图5G)。此外,水粘接技术还可以通过堆叠多层薄而柔韧的生物塑料,构建出厚实且刚性的生物塑料,从而设计出特定的机械超材料,例如在外部力作用下能够在两个稳定状态之间切换的双稳态结构(图5H-K)。这种生物塑料的多种几何形状的便捷转换和组合,以及其独特的力学性能,使其在先进功能应用方面具有显著优势,超越了传统生物塑料在简单包装和容器方面的应用。
图5 水任意加工技术的多维度和多功能应用
环境影响、可回收性和可生物降解性
生命周期评估(LCA)研究表明,该生物塑料在全球变暖潜力、化石资源消耗和颗粒物排放等关键环境指标上均优于传统石油基塑料及部分可生物降解塑料。此外,其独特的可循环性进一步提升了可持续性优势——材料可通过重新浸泡塑形或加水搅拌再铸造实现多次重复利用,而废弃后在自然土壤中6个月内即可完全降解,真正实现了从生产、使用到降解的闭环循环。
图6 生物塑料的环境影响、可回收性和可生物降解性
结论:本研究提出了一种创新的共组装策略,通过充分利用低价值微尺度生物材料的固有特性,成功构建了具有纤维-花粉层压致密结构的经济型可持续生物塑料。该材料的关键突破在于其独特的水响应特性——通过水化诱导可逆地实现结构开合与塑性重排,从而赋予材料可持续的水加工性能。此外,通过精确调控单元几何形状与刚度参数,可灵活制备多种维度和功能化结构。该生物塑料兼具卓越的机械强度、多功能适应性、低能耗生产、易加工性及高效循环利用等优势,同时具备出色的环保特性,有望成为减少塑料污染并推动循环生物经济的理想替代材料。该技术还具有显著的普适性,可拓展至多种天然纤维(亚麻、大麻、蚕丝)和生物微粒(真菌孢子、藻类、细胞碎片)的组装工程。作为全生物基材料的突破性进展,不仅实现了材料性能与可持续性的协同优化,更建立了可产业化的环保材料制造平台,为替代传统塑料提供了切实可行的技术路径,对实现“双碳”目标下的材料产业转型具有重要战略意义。
原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr1596
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