基於微-納米混合纖維素的可降解環保吸管

日益增長的塑料制品引用導致瞭愈來愈嚴重的環境污染問題。塑料吸管引起的環境問題尤其突出。其一,塑料吸管的使用量巨大,例如美國每天的塑料吸管消耗量就超過5億隻。其二,絕大多數的塑料吸管都是一次性的,而且由於塑料吸管通常體積小,重量輕,導致無法被回收。為瞭解決塑料吸管帶來的潛在環境問題,越來越多的地方政府和大型企業都在推行“限塑令”。例如,星巴克公司計劃在2020年所有咖啡連鎖店告別塑料吸管,預計可以每年減少10億多根塑料吸管的使用。因此市場上急需一種可以代替塑料吸管的可降解吸管。用塗有防水蠟表層的紙做成的紙吸管雖然可以降解,但其水穩定性較差、機械強度低,而且制備成本較高,導致紙吸管無法成為替代塑料吸管的理想環保吸管方案。

纖維素作為世界上蘊含量最豐富的天然高分子材料在替代塑料方面有很好的前景。天然木材中含有40-45%的纖維素。在甘蔗榨取蔗糖之後的殘餘甘蔗渣中有超過50%的纖維素,但甘蔗渣目前基本上被當作生產廢料處理。纖維素具有卓越的機械性能(2-3GPa 強度),低密度(1.5 g/cm3),低成本,可降解性等特點,是替代塑料的理想材料。

成果簡介

美國馬裡蘭大學李騰教授胡良兵教授共同領導的研究團隊提出瞭一種基於復合納米纖維素和微米纖維素的無粘合劑設計制造的吸管替代不可降解的塑料吸管的方法。納米纖維素和微米纖維素都可以從甘蔗渣、木材等低成本原材料中大規模獲得。濕的微-納米混合纖維素的薄膜可以被卷成吸管形狀。幹燥之後,薄膜接觸的邊緣可以通過內部形成的大量氫鍵來實現密封和閉合接口 (圖1)。這種方法制作的微-納米混合纖維素吸管避免瞭粘合劑和防水蠟紙的使用,減少瞭生產成本和復雜的工藝。微-納米混合纖維素吸管表現出色,具有優異的機械性能 (拉伸強度約為70MPa,延伸度高,斷裂應變為12.7%),足夠的防水性(濕機械強度是目前商業紙吸管的10倍),低成本低密度 (~0.66 g/cm3)和高自然降解性。基於這些優勢,微-納米混合纖維素吸管展示出代替塑料吸管的巨大潛力。該成果近期以“All-Natural, Degradable, Rolled-Up Straws Based on Cellulose Micro- and Nano-Hybrid Fibers”為題發表在國際著名期刊Advanced Functional Materials上。

基於微-納米混合纖維素的可降解環保吸管
圖1. 將濕狀態下的微-納米混合纖維素膜卷取成吸管的示意圖。(吸管的結合作用是通過在纖維素纖維之間形成牢固的氫鍵而實現的,不需要任何額外的粘合劑)

與隻含有微米纖維素的傳統紙吸管相比,含有大量羥基且具有更大的比表面積的納米纖維素的加入不但極大地填補瞭微米纖維素之間的空隙,賦予混合膜致密的結構 (圖2a-f)。與此同時,納米纖維素也增強瞭微-納米混合纖維素吸管的力學性質。與微米纖維素吸管相比,混合纖維素吸管的彎曲強度提高瞭約6倍(圖2h),拉伸強度提高瞭約70倍(圖2i)。微-納米混合纖維素吸管的力學性質也強於塑料吸管。更加致密的質地也使混合纖維素吸管擁有瞭更好的防水性能,微-納米混合纖維素吸管可以在水中穩定4小時而不出現分層顯現。

基於微-納米混合纖維素的可降解環保吸管
圖2. (a)微米纖維素膜、(b) 納米纖維素膜和 (c) 微-納米混合纖維素膜的SEM圖像。(d) 微米纖維素膜、 (e) 納米纖維素膜和(f) 微-納米混合纖維素膜的示意圖。(g) 微-納米混合纖維素吸管實物圖。(h) 比較微米纖維素吸管、納米纖維素吸管、微-納米混合纖維素吸管、塑料吸管的抗彎強度。(i) 比較微米纖維素吸管、納米纖維素吸管、微-納米混合纖維素吸管、塑料吸管的拉伸強度。

此外,該研究團隊還通過經典分子動力學模擬搭建粗粒化模型實現大尺度纖維素模擬,進而從機理上證實瞭復合纖維素的優異的力學性能。纖維素在拉伸過程中並不會出現纖維素鏈的斷裂,而是由於纖維素之間的滑移出現破壞,分子動力學模擬也很好的詮釋瞭這一過程。圖3a-c 展示瞭不同尺度的纖維素在拉伸過程中單位面積的受力與滑移位移的關系曲線,鋸齒狀的曲線表明瞭氫鍵形成,破壞以及再形成,再破壞的過程。圖3結果顯示納米纖維素(圖3c)比微米纖維素(圖3a)有著更高的強度,但是卻表現出更低的破壞位移。當我們將微-納米纖維素進行混合後發現其不僅能保持較高的強度,而且較大的破壞位移也得以很好的繼承(圖3b)。因此通過計算不同混合比例後纖維素的斷裂能(圖3d)發現納米纖維素由於其較高的應力水平而體現出17倍於微米纖維素的破壞性能,但是微-納米混合纖維素則由於其平衡瞭應力水平與滑移距離的矛盾,實現瞭其力學性能的顯著提升,這為工業化制備高性能微-納米混合纖維素吸管提供瞭堅實的理論基礎,同時該團隊發展的關於纖維素的粗粒化分子動力學模型也可廣泛的用於更大尺度更深入的纖維素研究工作。

基於微-納米混合纖維素的可降解環保吸管
圖3. 纖維素在拉伸過程中單位面積的受力與滑移位移的關系曲線。(a)納米纖維素含量0%(純微米纖維素),(b)納米纖維素含量57.1%,(c)納米纖維素含量100%(純納米纖維素),(d)歸一化斷裂能隨納米纖維素含量的變化情況(微米纖維素為基準線)。

纖維素已表現出強大的競爭力而逐漸被廣泛的關註,利用其低成本、完全降解的特性代替塑料吸管具有巨大的應用前景。基於現有的紙吸管制造機器,可以輕松實現微-納米混合纖維素吸管的低成本量產,同時其優良的力學性能也為其工業化生產提供瞭強有力的競爭力。

全文鏈接:

https://doi.org/10.1002/adfm.201910417

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