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天科大戴林、司傳領團隊/西湖大學王蕾團隊 CEJ：綠色低碳途徑構建玉米芯木糖渣基生物塑料

2023-07-18 來源：高分子科技

塑料在人類生活、工業(yè)生產(chǎn)的各個方面都發(fā)揮著重要作用。但傳統(tǒng)的石化基塑料嚴重依賴不可再生的石化資源，其生產(chǎn)和應用過程中巨量的碳足跡對生態(tài)環(huán)境造成了危害。生物塑料是以植物油脂、玉米淀粉、秸稈、木屑、回收的食物垃圾可再生/可生物降解資源生產(chǎn)的新型綠色材料，被認為是最有潛力的石化塑料的替代品。然而，目前大多生物塑料存在原材料成本高、原料利用效率較低、生產(chǎn)工藝復雜、產(chǎn)品性能較差等問題。因此，開發(fā)一種綠色、低成本、工藝簡單、性能優(yōu)良的生物塑料十分必要。

玉米芯是我國最豐富的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品之一，每產(chǎn)量超過5億噸。玉米芯含有較高的半纖維素含量，是木糖等糖類產(chǎn)品的重要原料。在半纖維素提取過程中會產(chǎn)生大量的木糖渣（纖維素-木質素）廢棄物，其中大部分作為燃料、填料等低值化應用。這不僅限制了生物質原料的利用價值，而且不利于產(chǎn)業(yè)的綠色、低碳發(fā)展。

針對上述問題和關鍵影響因素，近日，天津科技大學輕工科學與工程學院戴林、司傳領團隊和西湖大學王蕾團隊合作開發(fā)了一種簡單、綠色、低碳途徑構建生物塑料的方法。研究基于現(xiàn)有的木糖工業(yè)平臺，以玉米芯木糖渣為原料，制備得到具有良好的回收性能、溶劑穩(wěn)定性、降解性以及出色的力學性能生物塑料。該生物塑料的生產(chǎn)和應用過程表現(xiàn)出良好的經(jīng)濟性和環(huán)境友好性。該制備方法在金屬鹽溶液（ZnCl₂/CaCl₂）體系下，無需分離纖維素、木素，制得的生物塑料具有良好的柔韌性，可彎曲、折疊。掃描電子顯微鏡結果表明，該生物塑料結構均勻致密。其拉伸強度和韌性分別是纖維素膜的38倍和9.8倍。且其拉伸強度明顯優(yōu)于常見的石化基和生物基塑料。最后，研究對不可再生資源消耗潛能（ADP）、全球變暖潛能（GWP）、臭氧消耗（ODP）、人類毒性潛力潛能（HTP）、淡水水生生態(tài)毒性潛能（FATEP）、海水水生生態(tài)毒性潛能（MATEP）、地球生態(tài)毒性（TEP）、光化學氧化潛能（POCP）、酸化潛能（AP）和富營養(yǎng)化潛能（EP）等環(huán)境影響指標進行了量化分析。結果表明，基于標準化其機械強度對比，玉米芯木糖渣基生物塑料在ADP、GWP、AP和EP指標明顯低于傳統(tǒng)塑料，具有更低的環(huán)境影響。該方法可以推廣用于其他具有相似組分的木質纖維素原料平臺，不僅為綠色低碳生物基材料研發(fā)及應用提供研究思路，而且有助于推動生物質原料的高效資源化利用。

圖1. 基于木糖工業(yè)平臺的玉米芯木糖渣基生物塑料生產(chǎn)工藝。該工藝將提取木糖后的殘渣轉化為生物塑料，不僅提高了資源利用率而且降低了環(huán)境污染。

圖2. 玉米芯木糖渣基生物塑料的宏觀、微觀形貌及結構表征。a.宏觀形貌。b.生物塑料具有良好的柔韌性，可彎曲折疊，c-e.微觀形貌、f-g.FTIR圖像，h. XRD圖像。

圖3. 玉米芯木糖渣基生物塑料與纖維素膜及常見的石化基和生物基塑料力學性能對比。a-b.拉伸強度和模量分別是纖維素膜的38倍和9.8倍。c.與傳統(tǒng)塑料及可生物降解塑料的力學性能對比。

圖4. 玉米芯木糖渣基生物塑料與常見的石化基和生物基塑料熱降解性能對比。與傳統(tǒng)塑料和可生物講解塑料相當?shù)臒峤到鉁囟取?/span>

圖5. 玉米芯木糖渣基生物塑料水及有機溶劑溶脹性能以及防水涂層的應用。a.在水中2個月未分解。b.在70分鐘內吸水35%，遠低于纖維素膜。c.具有較好的抗有機溶劑性能、d.較好的抗水性能。e.作為防水涂層的可有效阻止水分浸入。

圖6. 玉米芯木糖渣基生物塑料的環(huán)境影響評價(LCA)。生物塑料在除POCP外均具有較低的環(huán)境影響（低于或等于其他石油基和生物基塑料的下限），是一種環(huán)保型塑料。

該研究成果于近日發(fā)表在被國際重要刊物《Chemical Engineering Journal》（DOI: 10.1016/j.cej.2023.144572）上。“Complete conversion of xylose-extracted corncob residues to bioplastic in a green and low carbon footprint way”。天津科技大學輕工科學與工程學院戴林與西湖大學工學院王蕾為共同通訊。天津科技大學研究生周昊為第一作者。該課題得到了國家自然科學基金（32171717），天津市自然科學基金（22JCYBJC01560），西湖大學的資助和支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144572

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（責任編輯：xu）

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