材料

树叶和聚合物垃圾转化成经济实惠的、可生物降解的“塑料”灯丝

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研究人员香港中文大学已经开发出一种基于聚合物的3D打印材料,几乎可以完全按需溶解。

该团队的“塑料”纤维由植物叶子和塑料垃圾组成,其特点是高熵纤维,旨在吸引自然酶,加速其降解速度,一旦处理。在土壤分解仅仅8周后,科学家们表示,他们的材料完全降解,只留下很少的塑料微粒,可能使其成为主流宠物的环保替代品。

“可生物降解塑料的主要问题是,标着‘可生物降解’的塑料只能被分解成更小的碎片。这并不是对传统塑料的改进,”该团队在论文中说。“塑料通过酶降解解决了这个问题,使微塑料的降解反应更有效地发生,从而加速了它们的降解。”

“塑料可以降低处理二次污染的成本,可以普遍用于日常生活中,解决全球的塑料降解问题。”

研究人员的“塑料”3D打印灯丝的生产方法。
研究人员的“塑料”3D打印灯丝的生产方法。照片来自ACS应用高分子材料杂志。

微塑料:全球威胁

尽管塑料具有固有的多功能性、廉价性和耐腐蚀性,但有充分的证据表明,塑料降解需要数千年的时间。这意味着,聚合物产品一旦被丢弃,就会成为对环境的长期污染物,当它们分解为越来越多地进入人类饮食的有毒微塑料时,问题就更大了。

虽然可降解塑料袋在西方超市已成为常态,但香港的科学家指出,这些塑料袋在制造过程中消耗的原材料和高能耗,仍然会造成二次污染。

同样,尽管一次性食品包装、餐具和容器经常被标记为由生物可降解塑料制成,但实际上,它们只能被分解成更小的碎片。因此,根据最近的研究,许多这样的聚合物产品仍然导致了日益严重的微塑料问题研究现在美国人平均每年吃掉39000 - 52000个聚合物颗粒。

塑料长丝在八周的时间内被降解。
塑料长丝在八周的时间内被降解。图像通过ACS应用高分子材料杂志。

介绍一个“塑料”解决方案

为了帮助世界摆脱对微塑料饮食的依赖,香港的研究小组研制出了一种低成本的植物注入塑料,利用天然酶更有效地降解微小的聚合物颗粒。研究人员将紫荆叶和PET粉末混合,塑化,并在“化学箱”中打印,制成了这种昵称为“塑料”的新型材料。

在制造材料的过程中,科学家们发现可以将生长周期较短的叶子整合在一起紫荆,其中自然包括易于降解的长纤维。该团队还发现,在交叉点加强这些纤维可以改善合成纤维的性能,而每种成分的用量都可以优化,以最大限度地减少能量损失。

一旦他们确定了他们的材料,决定80%的纤维和20%的PET的混合,研究人员用Nanoscribe光子专业GT2用3D打印机打印出一系列的微结构。扫描电镜(SEM)成像显示,它可以3D打印成小至160纳米的精细特征部件,然后在应力测试中证明了它比普通塑料袋更柔韧,但强度较低。

为了评估灯丝的可生物降解性,研究小组随后将其放入堆肥土壤中,发现其叶基中的酶可以分解“难以降解的物质”,如角质。有趣的是,这种材料不太稳定的表面也提高了分解速率,因为它允许微生物接触它,加速这一过程,帮助实现“几乎完全的塑料降解”。

在初步试验成功后,研究人员表示,他们的塑料材料证明,“吸引微生物”可以“加速塑料降解”。展望未来,该团队建议,这种闭环回收方法甚至可以取代填埋或焚烧处理方法,“减少纳米技术的能源压力,[帮助]建立一个环境友好型社会。”

TECLA 3D打印房屋在200小时内完成,仅使用了6kw的能源。照片通过黄蜂。
近年来,基于生物技术的3D打印技术不断发展壮大。照片显示WASP的“TECLA”生态栖息地。照片通过黄蜂。

推进生物是

考虑到许多3D打印聚合物和其他塑料一样是世界微塑料问题的一部分,研究人员继续开发生物替代品,结合各种自然元素,从土壤到昆虫粪便。

科学家们麻省理工学院(麻省理工学院)已经将实验室培养的木材细胞作为生产木材的一种手段可持续3D打印生物材料他们自己的。通过用一种类似于培育肉类的方法培育这些材料,研究小组相信,这些材料可以变成木材的替代品,并有可能被3D打印成家庭家具。

在商业层面上,桌面金属也已开始通过其粘结剂喷射木质零件Forust木材3D打印子公司。该公司目前正在升级木材制造和造纸工业的废料副产品,如锯末和木质素,然后将它们与生物环氧树脂混合,用于建筑添加剂制造应用。

在其他地方,在建筑业,黄蜂利用土壤、水稻、稻壳和石灰等天然材料,3D打印出整个环保有机的房子.“TECLA”住宅于今年早些时候完工,是一个自给自足的碳中性住宅,旨在作为一个可持续的新住宅建筑模型的概念验证。

研究人员的研究结果详细发表在题为《塑料:由废塑料和植物叶子制成的具有高熵纤维的可生物降解塑料该书由王子、徐瑶、刘如林和朱熹合著。

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特色图片显示了研究人员的“塑料”3D打印灯丝生产方法的分解。照片来自ACS应用高分子材料杂志。