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  聚乳酸(PLA)被認為是一種有前景的、生態友好的傳統石油基塑料替代品。然而，基于PLA的產品在自然環境中降解緩慢，通常超過2年以上。這就可能在PLA制品規模化使用后導致大量PLA堆積。

  近期，南方科技大學孫大陟課題組利用人工培養的生物質硅藻(DFs)來調控PLA的降解行為，結果表明，掩埋在自然土壤中，其降解時間從24個月縮短至3個月甚至更短。結合實驗數據和仿真分析結果，提出了新的降解機制，為高分子材料的快速、可調控降解提供了新途徑。相關成果發表在《Composites Science and Technology》期刊上（Ultrafast Bulk Degradation of Polylactic Acid by Artificially Cultured Diatom Frustules, Compos. Sci. Technol. 2022, 223, 109410.）

  硅藻殼是由海洋養殖硅藻去油去脂后提純得到的多孔硅，與普通二氧化硅相比，DFs純度高，抗壓強度大，比表面積大，表面羥基數量多，可與PLA形成有效的氫鍵作用，提高界面相互作用力。

圖1 硅藻殼的制備及PLA/DFs 復合材料的制備

  研究表明，DFs改變了PLA的降解行為。在3個月的自然土壤中，純PLA樹脂通常經歷surface erosion，降解速率很慢，力學性能和形貌幾乎未發生本質變化。而PLA/DFs復合材料主要經歷bulk erosion，在第四周之后，其力學性能迅速下降，內部結構也變成疏松多孔，且孔洞隨著降解進行不斷變大，直到材料發生內部出現缺陷，材料性能失效。

圖2 PLA/DFs復合材料降解過程中力學性能變化和形貌變化

  降解行為的改變主要是由于DFs的誘導效應。研究發現，在降解過程中，DFs周圍不斷生成了一些短微纖晶，這些纖維晶的生長造成了內部裂紋的發展。與宏觀施加外應力造成裂紋擴展相似，這些微纖晶尖端的應力場很大，其裂紋強度因子遠高于材料自身的斷裂韌性K_IC，因此，裂紋在DFs誘導下快速發展，相應的水分子會快速進入到裂紋尖端周圍，相應的水解速率也大大提升。

圖3 應力場與裂紋尖端強度因子分析

  綜上，實驗數據和仿真分析結果都表明，DFs可以很好地調節PLA的降解行為。

  論文第一作者為南科大-哈工大聯合培養博士研究生李濤，通訊作者為南方科技大學孫大陟副教授。該研究得到了廣東省重點實驗室項目基金，深圳市兆凱生物實驗室的支持。