木材也能變塑膠！在“碳中和”背景下，“木頭大王”胡良兵推出又一力作。
“碳中和”絕對是 2021 年熱詞之一，並且離我們也並不遙遠，但如果你經常喝奶茶或者逛超市，就會發現 2021 開年以來，喜茶等很多奶茶店都用紙吸管替換了塑膠吸管，沃爾瑪等很多超市，也開始全面啟用可降解購物袋。
圖 | 某奶茶店下單小程式中顯示使用可降解吸管（來源：網路）
塑膠袋在方便生活的同時，也帶來了“買一贈一”的副作用，它往往需要數百年時間才能降解。
近日，馬里蘭大學胡良兵教授聯合耶魯大學姚媛教授，用低廉的木材加工剩餘物生產出高質量的生物塑膠。
圖 | 一棵樹成為塑膠的過程示意圖（來源：Nature Sustainability）
相關論文於 3 月 25 日以《堅固、可生物降解和可回收的木質纖維素生物塑膠》（A strong， biodegradable and recyclable lignocellulosic bioplastic）為題發表在Nature Sustainability上。
圖 | 相關論文（來源：Nature Sustainability）
使用原位木質素再生法，低廉批次生產生物塑膠
胡良兵告訴 DeepTech，他們將天然多孔木材基質轉化為漿液，藉此得到的材料顯示出較高機械強度。在變為塑膠之後，它不僅能能在液體環境中保持穩定性，還擁有抗紫外線的能力，此外也能像常見塑膠袋一樣“兜得住液體”。
相比石油基塑膠和其他可降解塑膠，這種木質纖維素生物塑膠（下稱生物塑膠）不僅能被回收，還能實現安全的生物降解。
此前很多學者都嘗試過具備同樣功能的塑膠，但由於材料的機械絞合線還不足以替代當前主要由化石燃料製成的塑膠，故此很難批次製備。
因此，他們繞開傳統方法，使用原位木質素再生法，直接從大量廉價的木粉中合成了木質纖維素生物塑膠。
圖 | 本次研究中使用的木料（來源：Nature Sustainability）
傳統纖維素增強複合生物塑膠和纖維素膜的製造過程中會對材料進行去木質素處理，並將提取的木質素作為生產廢料處理。
該團隊採用的原位木質素再生法，充分利用了生物質的木質纖維素成分（尤其是纖維素和木質素），無需進行繁瑣的分離步驟。所生產的生物塑膠擁有均勻且緻密的結構，表面也比較平坦。
圖 | 生物塑膠的表面（來源：Nature Sustainability）
原位木質素再生法可以產生均勻且高粘度的纖維素-木質素漿料，其中木質素填充了相互連線的纖維素微/奈米原纖維網路，從而可以形成高密度結構。
研究中的重要一步，是生成纖維素-木質素漿料。由於木料具備疏鬆多孔結構，因此還不能直接生成塑膠，他們使用可生物降解和可回收的低共熔溶劑（DES）解聚了木粉中的疏鬆多孔結構，打破了生物質的“抗解聚屏障”，這樣便可得到一種具有奈米級纏結且富含氫鍵的微 / 奈米纖維素纖維和木質素的混合物。
圖 | 木質素漿料（來源：Nature Sustainability）
然後，向該混合物中新增水作為反溶劑，由於 DES 具有高的極性能與水結合，從而導致疏水性的木質素與 DES 分離並迅速再生，以固體形式吸附在微/奈米纖維素表面，用水過濾並洗滌該混合物以除去殘留的 DES 便可獲得大量穩定的纖維素 - 木質素漿料，該漿料具有高固含量和高粘度的特徵。
此外，DES 具有豐富的氫鍵和酸性，既可以使木材中的天然木質素快速溶解，又可以打破纖維素中的氫鍵網路結構。
圖 | 木質纖維素生物塑膠的製造機理（來源：Nature Sustainability）
利用這種高固含量的漿料，透過簡單的澆鑄工藝，即可製造木質纖維素生物塑膠薄膜，且具有大規模生產的能力。
在室溫下蒸發水後，即可獲得木質纖維素生物塑膠薄膜，實驗室合成條件下其尺寸可達100×15×0。1 cm3。
由於該混合物具有高固含量和高粘度的優勢，在工業生產中，可透過澆鑄、軋製或使用簡單的流延工藝，將這種漿料變成固體生物塑膠薄膜，可降解的生物塑膠便誕生了。
該方法制造出的生物塑膠，不僅機械強度高，熱穩定性也不錯，並且具備可回收性和生物降解性。
圖 | 製備出來的塑膠（來源：Nature Sustainability）
由於纏結的微/奈米纖維素和再生的木質素粘合劑，所得的木質纖維素生物塑膠表現出優異的機械強度和柔韌性，如下圖，當把 200 克的砝碼放在該生物塑膠上，它也不會破裂。
（來源：Nature Sustainability）
再生木質素中大量的羰基和酚羥基，使生物塑膠幾乎完全吸收200 到 400 nm 的紫外可見光譜的紫外線，這表明其具有出色的紫外線遮蔽能力。生物塑膠的熱降解溫度為 357°C，這證明該材料具有出色的熱穩定性。
掩埋三個月可被完全降解
為了對比本次生物塑膠和普通塑膠對環境的影響程度，他們將木質纖維素生物塑膠和聚氯乙烯（PVC，一種廣泛用於各種消費品和建築業的普通塑膠）埋入深度為 5 釐米的土壤中，並隨時間監測其形態，以確定它們的降解性。
圖 | 生物塑膠降解能力測試（來源：Nature Sustainability）
結果顯示，木質纖維素生物塑膠經歷了膨脹過程，在土壤中埋葬 2 個月後破裂，這可能是由於微生物（例如細菌和真菌）的存在，因為微生物可以直接攻擊和消化生物塑膠中的纖維素和木質素大分子。
最終，
生物塑膠被掩埋了 3 個月後被完全生物降解，
而在相同的埋葬時間後，PVC 保持其原始形狀不變，這反映了這種不可生物降解的塑膠對環境的長期負擔。
此外，胡良兵把木質纖維素生物塑膠放置在暴露於日曬、風雨的環境中數月之久的草中，其原始結構也可完全降解，這說明生物塑膠在工作條件下既穩定又耐用，但在天然土壤或室外條件下容易降解。
圖 | 木質纖維素生物塑膠和 PVC 材料的降解性測試（來源：Nature Sustainability）
為了測試生物塑膠的水穩定性，該團隊分別把纖維素薄膜和生物塑膠放在水中，生物塑膠擁有比純纖維素膜更高的水接觸角，這表明其排斥水的趨勢略大。10 分鐘後，水滴逐漸散開並粘附在纖維素膜上，而木質纖維素生物塑膠表面上的水滴形狀保持相對穩定。
為進一步確定生物塑膠的水穩定性，他們將纖維素膜和木質纖維素生物塑膠分別浸泡在水中30 天。
30 天后，纖維素膜完全崩解成微纖維，而木質纖維素生物塑膠在潮溼環境中保持了其形狀的完整性而沒有任何斷裂，表現出良好的穩定性。
圖 | 生物塑膠的水穩定性（來源：Nature Sustainability）
生物塑膠也顯示出良好的可回收性，可以透過機械攪拌將報廢的木質纖維素生物塑膠分解成均勻的纖維素- 木質素漿液，使其重新用作回收材料。
圖 | 回收再利用生物塑膠（來源：Nature Sustainability）
此外，還可透過簡單地收集加工過程中的濾液並蒸發水來回收過程中使用的DES。即使在回收後，DES 仍能在分解木質纖維素原料時保持出色的反應效率。
重複使用 DES 五次後，溶解的天然木質素含量約為 14。25％，與使用原始 DES 時（〜17。45％）相比下降了約 3％，表明 DES 的反應性即使在回收和再利用後也得以保留。
圖 | 連續原位木質素再生處理和 DES 回收的流程圖（來源：Nature Sustainability）
更優秀的是，生物塑膠可以由各種生物質原料製成，例如草、小麥秸稈和甘蔗渣，這表明該處理工藝具有廣泛的適用性。
圖 | 原位木質素再生方法的普遍性（來源：Nature Sustainability）
生命週期評估（Life Cycle Assessment，LCA）結果表明，木質纖維素生物塑膠對環境的影響比基於石油化學的塑膠（例如 PVF 和 ABS）或其他可生物降解的塑膠（例如 PCL 和 PBS）低得多。
這種綠色、可回收的製造過程和最終產品展示了一個閉環迴圈，為利用資源豐富、可再生和可持續的生物質生產穩定、堅固和可生物降解的生物塑膠提供了新的機會。
胡良兵表示，和普通塑膠一樣，生物塑膠可被製成塑膠袋，也可製成包裝薄膜。由於該塑膠能模壓制成不同形狀，因此還有望用在汽車製造中。
使用後的生物塑膠，如果不想丟棄，還可以機械攪拌的方式，把它分解成漿液，這樣也能回收再利用。
雖然在本次研究中，使用的是木材廠廢料，但如果想大規模製備需要使用大量木材，因此考慮到未來可能給森林帶來的影響，該團隊已經和森林生態學家合作，未來將聯合建立森林模擬模型，以便把森林生長週期和塑膠製備過程結合起來。
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