基于微-纳米混合纤维素的可降解环保吸管

日益增长的塑料制品引用导致了愈来愈严重的环境污染问题。塑料吸管引起的环境问题尤其突出。其一,塑料吸管的使用量巨大,例如美国每天的塑料吸管消耗量就超过5亿只。其二,绝大多数的塑料吸管都是一次性的,而且由于塑料吸管通常体积小,重量轻,导致无法被回收。为了解决塑料吸管带来的潜在环境问题,越来越多的地方政府和大型企业都在推行“限塑令”。例如,星巴克公司计划在2020年所有咖啡连锁店告别塑料吸管,预计可以每年减少10亿多根塑料吸管的使用。因此市场上急需一种可以代替塑料吸管的可降解吸管。用涂有防水蜡表层的纸做成的纸吸管虽然可以降解,但其水稳定性较差、机械强度低,而且制备成本较高,导致纸吸管无法成为替代塑料吸管的理想环保吸管方案。

纤维素作为世界上蕴含量最丰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%的纤维素。在甘蔗榨取蔗糖之后的残余甘蔗渣中有超过50%的纤维素,但甘蔗渣目前基本上被当作生产废料处理。纤维素具有卓越的机械性能(2-3GPa 强度),低密度(1.5 g/cm3),低成本,可降解性等特点,是替代塑料的理想材料。

成果简介

美国马里兰大学李腾教授和胡良兵教授共同领导的研究团队提出了一种基于复合纳米纤维素和微米纤维素的无粘合剂设计制造的吸管替代不可降解的塑料吸管的方法。纳米纤维素和微米纤维素都可以从甘蔗渣、木材等低成本原材料中大规模获得。湿的微-纳米混合纤维素的薄膜可以被卷成吸管形状。干燥之后,薄膜接触的边缘可以通过内部形成的大量氢键来实现密封和闭合接口 (图1)。这种方法制作的微-纳米混合纤维素吸管避免了粘合剂和防水蜡纸的使用,减少了生产成本和复杂的工艺。微-纳米混合纤维素吸管表现出色,具有优异的机械性能 (拉伸强度约为70MPa,延伸度高,断裂应变为12.7%),足够的防水性(湿机械强度是目前商业纸吸管的10倍),低成本低密度 (~0.66 g/cm3)和高自然降解性。基于这些优势,微-纳米混合纤维素吸管展示出代替塑料吸管的巨大潜力。该成果近期以“All-Natural, Degradable, Rolled-Up Straws Based on Cellulose Micro- and Nano-Hybrid Fibers”为题发表在国际著名期刊Advanced Functional Materials上。

基于微-纳米混合纤维素的可降解环保吸管
图1. 将湿状态下的微-纳米混合纤维素膜卷取成吸管的示意图。(吸管的结合作用是通过在纤维素纤维之间形成牢固的氢键而实现的,不需要任何额外的粘合剂)

与只含有微米纤维素的传统纸吸管相比,含有大量羟基且具有更大的比表面积的纳米纤维素的加入不但极大地填补了微米纤维素之间的空隙,赋予混合膜致密的结构 (图2a-f)。与此同时,纳米纤维素也增强了微-纳米混合纤维素吸管的力学性质。与微米纤维素吸管相比,混合纤维素吸管的弯曲强度提高了约6倍(图2h),拉伸强度提高了约70倍(图2i)。微-纳米混合纤维素吸管的力学性质也强于塑料吸管。更加致密的质地也使混合纤维素吸管拥有了更好的防水性能,微-纳米混合纤维素吸管可以在水中稳定4小时而不出现分层显现。

基于微-纳米混合纤维素的可降解环保吸管
图2. (a)微米纤维素膜、(b) 纳米纤维素膜和 (c) 微-纳米混合纤维素膜的SEM图像。(d) 微米纤维素膜、 (e) 纳米纤维素膜和(f) 微-纳米混合纤维素膜的示意图。(g) 微-纳米混合纤维素吸管实物图。(h) 比较微米纤维素吸管、纳米纤维素吸管、微-纳米混合纤维素吸管、塑料吸管的抗弯强度。(i) 比较微米纤维素吸管、纳米纤维素吸管、微-纳米混合纤维素吸管、塑料吸管的拉伸强度。

此外,该研究团队还通过经典分子动力学模拟搭建粗粒化模型实现大尺度纤维素模拟,进而从机理上证实了复合纤维素的优异的力学性能。纤维素在拉伸过程中并不会出现纤维素链的断裂,而是由于纤维素之间的滑移出现破坏,分子动力学模拟也很好的诠释了这一过程。图3a-c 展示了不同尺度的纤维素在拉伸过程中单位面积的受力与滑移位移的关系曲线,锯齿状的曲线表明了氢键形成,破坏以及再形成,再破坏的过程。图3结果显示纳米纤维素(图3c)比微米纤维素(图3a)有着更高的强度,但是却表现出更低的破坏位移。当我们将微-纳米纤维素进行混合后发现其不仅能保持较高的强度,而且较大的破坏位移也得以很好的继承(图3b)。因此通过计算不同混合比例后纤维素的断裂能(图3d)发现纳米纤维素由于其较高的应力水平而体现出17倍于微米纤维素的破坏性能,但是微-纳米混合纤维素则由于其平衡了应力水平与滑移距离的矛盾,实现了其力学性能的显著提升,这为工业化制备高性能微-纳米混合纤维素吸管提供了坚实的理论基础,同时该团队发展的关于纤维素的粗粒化分子动力学模型也可广泛的用于更大尺度更深入的纤维素研究工作。

基于微-纳米混合纤维素的可降解环保吸管
图3. 纤维素在拉伸过程中单位面积的受力与滑移位移的关系曲线。(a)纳米纤维素含量0%(纯微米纤维素),(b)纳米纤维素含量57.1%,(c)纳米纤维素含量100%(纯纳米纤维素),(d)归一化断裂能随纳米纤维素含量的变化情况(微米纤维素为基准线)。

纤维素已表现出强大的竞争力而逐渐被广泛的关注,利用其低成本、完全降解的特性代替塑料吸管具有巨大的应用前景。基于现有的纸吸管制造机器,可以轻松实现微-纳米混合纤维素吸管的低成本量产,同时其优良的力学性能也为其工业化生产提供了强有力的竞争力。

 

全文链接:

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

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