傳統塑料由于難降解,引發了嚴重的環境污染。據估計,到2050年,全球塑料垃圾累積量將高達120億噸。海洋塑料污染更是觸目驚心,已經嚴重干擾了海洋生物的生命活動,并對人類健康產生重大威脅。盡管已有多種可降解塑料被成功開發并應用,但它們在海水中依然能長期穩定存在。聚乙烯醇(PVA)具有價廉和無毒等優點,非常適合于制備可降解塑料。然而,PVA的水溶性使PVA基塑料無法在高濕度環境中使用。雖然在PVA主鏈修飾疏水基團可顯著提高PVA基塑料的耐水性,但該類塑料在土壤中的降解也會變的困難,且在海水中不分解。
為解決上述問題,吉林大學超分子結構與材料國家重點實驗室孫俊奇教授課題組通過在PVA塑料內部構筑氫鍵交聯的剛性納米疏水相區,制備了具有高力學強度、可在土壤中降解、在海水中分解的環境友好型可降解塑料。納米疏水相區可作為填料有效提高了塑料的力學強度及耐水性。同時,基于氫鍵交聯的疏水相區的動態可逆性使得塑料具備重塑、在土壤中降解及在海水中分解的能力。
圖1. PVA-CBA塑料制品的制備過程及結構示意圖。
具體地,將疏水的甲;郊姿幔–BA)接枝到聚乙烯醇(PVA)上,經溶液加工即可制備薄膜及各種形狀的PVA-CBA超分子塑料。在干燥狀態下和~100% 相對濕度的環境中,接枝度為30%的PVA-CBA塑料的屈服強度分別高達~84.0 MPa和~58 MPa。即使在水中浸泡10天后,該PVA-CBA塑料的強度仍能保持在~40 MPa,這一強度高于常用的高密度聚乙烯塑料的斷裂強度,說明了PVA-CBA塑料在高濕環境中仍可正常使用。得益于塑料內部氫鍵的動態性,PVA-CBA塑料具有優異的可循環利用性;跓釅旱姆椒,PVA-CBA塑料可以被多次重塑,重塑后的塑料具有與初始塑料相當的力學性能。PVA-CBA塑料優異的可循環利用性對減少塑料消耗具有重要意義。
圖2. (a) PVA-CBA塑料的拉伸曲線;(b) 濕態PVA-CBA塑料的承載能力;(c) 濕態PVA-CBA塑料的拉伸曲線;(d) 多次重塑后的PVA-CBA塑料的拉伸曲線。
PVA-CBA塑料膜具有在土壤中快速降解的能力。厚度為~50 μm的塑料膜在埋入土壤中約70天后會完全降解。在土壤中,塑料會逐漸吸收水分,內部的氫鍵作用會被破壞,導致塑料膜發生溶脹、變軟,使得塑料膜分解為細小的碎片并分散溶解于土壤中;最終,PVA鏈段在土壤中微生物及酶的作用下,降解為環境友好的二氧化碳、水及對醛基苯甲酸衍生物等無毒物質。值得一提的是,由于塑料中氫鍵具有pH響應性,PVA-CBA塑料的降解會在偏堿性土壤中大大加快。
圖3. PVA-CBA塑料在土壤中的降解性能及在海水中的分解性能。
PVA-CBA塑料在海水(微堿性,pH約8.0-8.5)中可以快速的分解為高度溶脹、柔軟的凝膠碎片,該碎片可在淡水中完全溶解。重要的是,細胞實驗和動物喂養實驗表明該類凝膠碎片無毒無害。PVA-CBA塑料在海水中的快速分解,可有效避免海洋動物因誤食塑料或被塑料纏繞引起的死亡。對照實驗表明,不含有氫鍵的疏水微相區雖然能增強PVA塑料的耐水性,但這樣的PVA塑料降解過于緩慢,且在海水中無法分解,進一步證明氫鍵交聯的疏水微相區是制備可在土壤中降解、在海水中快速分解和耐水的可降解塑料。作者認為,動態納米疏水相區這一策略將為其它具有優異力學性能、可循環利用和可降的聚合物材料的制備提供新的設計思路。
該工作以“Degradable, Recyclable, Water-Resistant, and Eco-Friendly Poly(vinyl alcohol)-Based Supramolecular Plastics”為題發表在《ACS Materials Letters》上(DOI: 10.1021/acsmaterialslett.2c00283)。論文第一作者為吉林大學博士后房旭,通訊作者為吉林大學孫俊奇教授。
原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.2c00283
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