香港中文大學(xué)：將樹(shù)葉和聚合物廢料轉(zhuǎn)化為低價(jià)可降解的Planstic打印長(zhǎng)絲

2021年10月7日，南極熊獲悉，香港中文大學(xué)的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種聚合物基的3D打印材料，它幾乎可以完全生物降解的環(huán)保需求。

該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的 "Planstic "長(zhǎng)絲由植物葉子和塑料廢料組成，具有高熵纖維。這些纖維可以幫助廢料吸附天然酶，在處理時(shí)加速其降解速度。科學(xué)家們說(shuō)，經(jīng)過(guò)短短8周的土壤分解，他們的材料完全降解，只留下極少的微塑料顆粒，這有可能使其成為主流PET的生態(tài)友好替代品。

研究團(tuán)隊(duì)在他們的論文中說(shuō)："當(dāng)前，可生物降解塑料的主要問(wèn)題在于它們只是被分解成更小的碎片，這并未實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)塑料的完全生態(tài)處理。Planstic通過(guò)酶的催化降解解決了這個(gè)問(wèn)題，它會(huì)使微塑料的降解反應(yīng)更有效地進(jìn)行，從而加速了它們的降解。Planstic可以減少二次污染的處理成本，并且可以在日常生活中普遍使用，以解決全世界的塑料降解問(wèn)題。"

△研究人員的'Planstic'3D打印長(zhǎng)絲背后的生產(chǎn)方法。照片來(lái)自ACS Applied Polymer Materials雜志。

微塑料：一個(gè)全球性的威脅

盡管塑料具有固有的多功能性、廉價(jià)性和耐腐蝕性，但有資料顯示，塑料需要數(shù)千年的時(shí)間才能降解。這意味著，一旦那些聚合物產(chǎn)品被丟棄，它們就會(huì)成為環(huán)境的持久污染物，而當(dāng)它們分解成有毒的微塑料時(shí)，問(wèn)題就特別嚴(yán)重，因?yàn)檫@些微塑料會(huì)隨著生物鏈越來(lái)越多地處理到人類(lèi)身體當(dāng)中。

雖然可降解塑料袋的使用正在成為西方國(guó)家超市的常態(tài)，但香港的科學(xué)家們指出，這些塑料袋仍然會(huì)通過(guò)制造過(guò)程中消耗的原材料和高能量造成二次污染。

同樣，盡管食品相關(guān)的一次性包裝、餐具和容器經(jīng)常被標(biāo)示為由可生物降解的塑料制成，但實(shí)際上，它們只是被分解成更小的碎片。因此，許多這樣的聚合物商品仍然助長(zhǎng)了日益嚴(yán)重的微塑料問(wèn)題，根據(jù)最近的研究，現(xiàn)在導(dǎo)致美國(guó)人平均每年吃下39,000-52,000個(gè)聚合物顆粒。

△Planstic長(zhǎng)絲在八周的時(shí)間內(nèi)被降解。圖片來(lái)自ACS Applied Polymer Materials雜志。

一種 "Planstic "解決方案

為了幫助世界從微塑料的飲食中解脫出來(lái)，香港團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制定了一種低成本的植物融合塑料，利用天然酶來(lái)更有效地降解微小的聚合物顆粒。綽號(hào)為Planstic，研究人員的新型材料是通過(guò)將紫荊樹(shù)葉和磨碎的PET混合、塑化并在 "Chembox "中打印出來(lái)的。

在創(chuàng)造材料的過(guò)程中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)有可能整合來(lái)自短生長(zhǎng)周期的Cercischinensis的葉子，它自然包括長(zhǎng)纖維，適合于降解。該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，在交叉點(diǎn)加強(qiáng)這些纖維可以改善所產(chǎn)生的長(zhǎng)絲的特性，同時(shí)可以?xún)?yōu)化每種成分的劑量，以盡量減少能量損失。

研究人員在最終確定了材料后，將80%的植物纖維和20%的PET混合，并使用NanoscribePhotonic Professional GT2 3D打印機(jī)將其沉積到一系列的微結(jié)構(gòu)中。SEM成像結(jié)果顯示Planstic可以被3D打印成具有小至160納米的精細(xì)特征的部件后，隨后它被證明在壓力測(cè)試下要比普通塑料袋更有韌性，但強(qiáng)度較低。

為了評(píng)估Planstic長(zhǎng)絲的生物降解性，該團(tuán)隊(duì)隨后將其放入堆肥土壤中，發(fā)現(xiàn)其葉基中的酶可以分解掉那些難以降解的物質(zhì)，如角蛋白。有趣的是，這種材料不太穩(wěn)定的表面也提高了分解率，因?yàn)樗�允許微生物與它接觸并加速這一過(guò)程，幫助實(shí)現(xiàn)塑料的幾乎完全降解。

在初步試驗(yàn)成功后，研究人員說(shuō)他們的Planstic材料證明了可以吸引微生物分解和加速塑料降解的良好效果。展望未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)建議，這種閉環(huán)回收方法甚至可以取代填埋或焚燒處理方法，減少納米技術(shù)的能源壓力，從而幫助建立一個(gè)環(huán)境友好型社會(huì)。

△近年來(lái)，生物3D打印的規(guī)模不斷擴(kuò)大。照片顯示W(wǎng)ASP的 "TECLA "生態(tài)棲息地。照片來(lái)自WASP。

研究人員的研究結(jié)果詳見(jiàn)他們的論文，題為 "Planstic:Biodegradable Plastic with High-Entropy Fibers Made from Waste Plastic andPlant Leaves"，這篇論文是由Ziao Wang, Yao Xu, Rulin Liu和Xi Zhu共同撰寫(xiě)的。

相關(guān)論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsapm.1c01242

推進(jìn)生物增材制造

鑒于許多3D打印聚合物和其他塑料一樣屬于世界上微塑料問(wèn)題的一部分，研究人員會(huì)繼續(xù)開(kāi)發(fā)生物替代物，其中包括各種自然元素，從土壤到昆蟲(chóng)糞便。

麻省理工學(xué)院（MIT）的科學(xué)家們已經(jīng)轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)室培養(yǎng)的木質(zhì)細(xì)胞，作為生產(chǎn)他們自己的可持續(xù)3D打印生物材料的一種手段。通過(guò)培養(yǎng)他們的材料，以一種類(lèi)似于培養(yǎng)肉的方法，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為它可以變成一種木材替代品，有可能被3D打印成自制的家具。

在商業(yè)層面上，Desktop Metal公司也已經(jīng)開(kāi)始通過(guò)其Forust木材3D打印子公司對(duì)木質(zhì)部件進(jìn)行粘合劑噴射。該公司目前正在擴(kuò)大木材制造業(yè)和造紙業(yè)的廢棄副產(chǎn)品的回收利用，如鋸末和木質(zhì)素，然后將它們與生物環(huán)氧樹(shù)脂混合，用于建筑增材制造應(yīng)用。

在建筑行業(yè)，WASP利用土壤、大米、谷殼和石灰等天然材料，3D打印了一體化生態(tài)友好型有機(jī)房屋。今年早些時(shí)候完成的自我支持的碳中和"TECLA "房屋，就是作為可持續(xù)的新房屋建筑模式的概念驗(yàn)證。