“木头大王”胡良兵助力碳中和,碎木屑变生物(2)
(来源:Nature Sustainability)
再生木质素中大量的羰基和酚羟基,使生物塑料几乎完全吸收200 到 400 nm 的紫外可见光谱的紫外线,这表明其具有出色的紫外线屏蔽能力。生物塑料的热降解温度为 357°C,这证明该材料具有出色的热稳定性。
掩埋三个月可被完全降解
为了对比本次生物塑料和普通塑料对环境的影响程度,他们将木质纤维素生物塑料和聚氯乙烯(PVC,一种广泛用于各种消费品和建筑业的普通塑料)埋入深度为 5 厘米的土壤中,并随时间监测其形态,以确定它们的降解性。
图 | 生物塑料降解能力测试(来源:Nature Sustainability)
结果显示,木质纤维素生物塑料经历了膨胀过程,在土壤中埋葬 2 个月后破裂,这可能是由于微生物(例如细菌和真菌)的存在,因为微生物可以直接攻击和消化生物塑料中的纤维素和木质素大分子。
最终,生物塑料被掩埋了 3 个月后被完全生物降解,而在相同的埋葬时间后,PVC 保持其原始形状不变,这反映了这种不可生物降解的塑料对环境的长期负担。
此外,胡良兵把木质纤维素生物塑料放置在暴露于日晒、风雨的环境中数月之久的草中,其原始结构也可完全降解,这说明生物塑料在工作条件下既稳定又耐用,但在天然土壤或室外条件下容易降解。
图 | 木质纤维素生物塑料和 PVC 材料的降解性测试(来源:Nature Sustainability)
为了测试生物塑料的水稳定性,该团队分别把纤维素薄膜和生物塑料放在水中,生物塑料拥有比纯纤维素膜更高的水接触角,这表明其排斥水的趋势略大。10 分钟后,水滴逐渐散开并粘附在纤维素膜上,而木质纤维素生物塑料表面上的水滴形状保持相对稳定。
为进一步确定生物塑料的水稳定性,他们将纤维素膜和木质纤维素生物塑料分别浸泡在水中30 天。
30 天后,纤维素膜完全崩解成微纤维,而木质纤维素生物塑料在潮湿环境中保持了其形状的完整性而没有任何断裂,表现出良好的稳定性。
图 | 生物塑料的水稳定性(来源:Nature Sustainability)
生物塑料也显示出良好的可回收性,可以通过机械搅拌将报废的木质纤维素生物塑料分解成均匀的纤维素- 木质素浆液,使其重新用作回收材料。
图 | 回收再利用生物塑料(来源:Nature Sustainability)
此外,还可通过简单地收集加工过程中的滤液并蒸发水来回收过程中使用的DES。即使在回收后,DES 仍能在分解木质纤维素原料时保持出色的反应效率。
重复使用 DES 五次后,溶解的天然木质素含量约为 14.25%,与使用原始 DES 时(?17.45%)相比下降了约 3%,表明 DES 的反应性即使在回收和再利用后也得以保留。
图 |?连续原位木质素再生处理和 DES 回收的流程图(来源:Nature Sustainability)
更优秀的是,生物塑料可以由各种生物质原料制成,例如草、小麦秸秆和甘蔗渣,这表明该处理工艺具有广泛的适用性。
图 |?原位木质素再生方法的普遍性(来源:Nature Sustainability)
生命周期评估(Life Cycle Assessment,LCA)结果表明,木质纤维素生物塑料对环境的影响比基于石油化学的塑料(例如 PVF 和 ABS)或其他可生物降解的塑料(例如 PCL 和 PBS)低得多。
这种绿色、可回收的制造过程和最终产品展示了一个闭环循环,为利用资源丰富、可再生和可持续的生物质生产稳定、坚固和可生物降解的生物塑料提供了新的机会。
胡良兵表示,和普通塑料一样,生物塑料可被制成塑料袋,也可制成包装薄膜。由于该塑料能模压制成不同形状,因此还有望用在汽车制造中。
使用后的生物塑料,如果不想丢弃,还可以机械搅拌的方式,把它分解成浆液,这样也能回收再利用。
虽然在本次研究中,使用的是木材厂废料,但如果想大规模制备需要使用大量木材,因此考虑到未来可能给森林带来的影响,该团队已经和森林生态学家合作,未来将联合创建森林模拟模型,以便把森林生长周期和塑料制备过程结合起来。
文章来源:《机械强度》 网址: http://www.jxqdzzs.cn/zonghexinwen/2021/0406/558.html