江星
（嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，福建廈門361104）
摘要：傳統(tǒng)塑料吸管引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻，促使尋找替代品成為社會(huì)廣泛關(guān)注焦點(diǎn)，在此背景下，具備獨(dú)特環(huán)保特性的可降解材料逐漸進(jìn)入大眾視野。這類材料可在自然環(huán)境或特定條件如微生物作用、光解、水解等情況下快速分解為無(wú)害物質(zhì)，有效減少對(duì)環(huán)境的污染，將其應(yīng)用于一次性吸管，不僅能解決傳統(tǒng)塑料吸管難以降解的難題、降低環(huán)境污染，還能推動(dòng)資源循環(huán)利用，助力可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程。隨著消費(fèi)者環(huán)保意識(shí)不斷提升，對(duì)環(huán)保產(chǎn)品的需求持續(xù)增長(zhǎng)，可降解吸管憑借巨大的市場(chǎng)潛力，有望成為未來(lái)餐飲行業(yè)的重要選擇。由此可見(jiàn)，研究可降解材料在一次性吸管中的應(yīng)用意義深遠(yuǎn)，既是解決當(dāng)下環(huán)境問(wèn)題的有效舉措，也是推動(dòng)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵路徑。文章基于業(yè)內(nèi)可降解材料吸管的技術(shù)研究與生產(chǎn)現(xiàn)狀，對(duì)聚對(duì)苯二甲酸己二酸丁二醇酯、聚乳酸等生物可降解材料在吸管生產(chǎn)研究中的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)綜述。
關(guān)鍵詞：吸管；聚乳酸；可降解材料
傳統(tǒng)塑料吸管憑借其便捷性成為日常生活和餐飲行業(yè)的常用物品，深受消費(fèi)者青睞，但這份便利背后卻暗藏著嚴(yán)峻的環(huán)境危機(jī)。作為由難以降解的聚乙烯或聚丙烯材料制成的產(chǎn)品，塑料吸管在自然環(huán)境中分解耗時(shí)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年甚至上百年，給土壤、水源和生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)持續(xù)性污染風(fēng)險(xiǎn)；加之其體積小、重量輕的特點(diǎn)，在風(fēng)力和水流作用下極易進(jìn)入自然環(huán)境，不僅成為海洋垃圾的主要來(lái)源，還會(huì)造成海洋生物誤食、纏繞等傷害，嚴(yán)重威脅海洋生態(tài)平衡。與此同時(shí)，塑料吸管從生產(chǎn)、使用到廢棄的整個(gè)生命周期，都在大量消耗石油資源，不僅加劇對(duì)化石燃料的依賴，更會(huì)增加溫室氣體排放，進(jìn)一步惡化全球氣候變化態(tài)勢(shì)。面對(duì)日益嚴(yán)峻的塑料污染問(wèn)題，2020年末國(guó)家發(fā)改委及相關(guān)環(huán)保部門出臺(tái)治理塑料污染的意見(jiàn)，明確禁止不可降解一次性塑料吸管的使用，這一政策推動(dòng)可降解材料吸管的研發(fā)應(yīng)用成為業(yè)內(nèi)亟待攻克的新課題。
1 可降解材料吸管技術(shù)現(xiàn)狀
可降解材料是指在自然環(huán)境或特定條件下，能夠被微生物分解、光解、水解等機(jī)制作用，逐漸降解為無(wú)毒無(wú)害的小分子物質(zhì)，并最終回歸自然環(huán)境的材料。這類材料在使用過(guò)程中對(duì)環(huán)境友好，不會(huì)造成長(zhǎng)期的污染問(wèn)題。市場(chǎng)中近年來(lái)已經(jīng)啟用紙質(zhì)吸管、改性降解塑料吸管來(lái)作為傳統(tǒng)吸管的替代品。不過(guò)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，紙質(zhì)吸管由于吸水性過(guò)強(qiáng)以及不耐高溫?zé)崴L(zhǎng)時(shí)間浸泡，最終沒(méi)有廣泛應(yīng)用開來(lái)。而改性降解塑料吸管，在韌性、耐熱度方面有所欠缺，同時(shí)成本較高，也無(wú)法大面積推廣。
當(dāng)前主流的可降解材料類型主要包括聚乳酸（PLA）、聚對(duì)苯二甲酸己二酸丁二醇酯（PBAT）和聚丁二酸丁二醇酯（PBS）等（如下頁(yè)表1所示）。在眾多可降解材料中，PLA憑借其卓越的光澤度、出色的阻隔性能、良好的生物相容性以及顯著的生物可降解性，在可降解吸管的研究應(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)了一席之地。但是，這不是說(shuō)PLA材料就沒(méi)有缺點(diǎn)和局限性，其固有的耐熱性差、韌性不足以及缺乏足夠的柔性和彈性，特別是熱軟化溫度不足70℃,導(dǎo)致其耐高溫性能較差，容易在接觸熱液體時(shí)出現(xiàn)變脆的問(wèn)題，這些性能缺陷很大程度上限制了其在吸管領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用。
在解決可降解吸管材料相關(guān)問(wèn)題時(shí)，業(yè)內(nèi)聚焦多種生物可降解材料特性，PBAT即聚對(duì)苯二甲酸己二酸丁二醇酯因分子結(jié)構(gòu)兼具柔性與剛性而擁有優(yōu)異柔韌性，但單獨(dú)使用存在強(qiáng)度不足的問(wèn)題；PBS也就是聚丁二酸丁二醇酯在耐熱性和柔韌性方面表現(xiàn)良好，卻存在剛度欠缺的情況；另一類聚羥基脂肪酸酯共聚物（PHA）雖具備良好柔韌性、熱穩(wěn)定性和加工性能，然而高昂成本限制了其大規(guī)模應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)并突破PLA單一材料局限，吸管制造商常采用共混或復(fù)合改性技術(shù)，把高韌性的PBAT、PBS等生物可降解材料與PLA按一定比例混合，該策略不僅能提升PLA的韌性，還有可能加快PBAT等材料的降解速度，不過(guò)PLA與PBAT等材料之間的不相容性成為阻礙。為攻克這一難題，增強(qiáng)它們之間的相容性以制備出力學(xué)性能更優(yōu)的共混物成為業(yè)內(nèi)研究重點(diǎn)，有團(tuán)隊(duì)嘗試在PLA/PBAT共混體系中添加3%~5%的甲基丙烯酸縮水甘油酯作為該試劑的增溶劑，取得一定的成效，如可以提升共混物的強(qiáng)度，增幅能上升25%左右，為制備性能更優(yōu)的可降解吸管材料提供了新方向。
2 可降解材料在吸管生產(chǎn)應(yīng)用方面的研究進(jìn)展分析
2.1 PBAT改性PLA吸管研究進(jìn)展
國(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)開展的一項(xiàng)研究，嘗試通過(guò)共混技術(shù)將PLA與PBAT按不同比例結(jié)合，同時(shí)在配比過(guò)程中引入硅烷偶聯(lián)劑、擴(kuò)鏈劑及潤(rùn)滑劑等添加劑，以此優(yōu)化最終產(chǎn)品性能。研究采用的工藝步驟是在高速混合機(jī)中以400rpm的轉(zhuǎn)速混合原料6~8min，再通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)在200℃下擠出，螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)定為250rpm；擠出后的材料經(jīng)過(guò)成型加工等流程最終制成改性PLA可彎吸管，該吸管獨(dú)特的螺紋設(shè)計(jì)包含10組牙組，插入端設(shè)計(jì)為45°斜口，能有效提升用戶體驗(yàn)。
此外，拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果直觀呈現(xiàn)出PBAT含量對(duì)改性PLA材料力學(xué)性能的影響趨勢(shì)，在具體研究中，如果材料里面不斷添加PBAT，那么改性PLA之后的整體拉伸強(qiáng)度也會(huì)有一個(gè)明顯的變化，具體是呈現(xiàn)減弱的趨勢(shì)。通過(guò)觀察測(cè)試數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)一旦該材料的拉伸強(qiáng)度＜55MPa時(shí)，吸管自身的強(qiáng)度、延展性都會(huì)有所降低，如在牽引測(cè)試的時(shí)候，吸管就會(huì)發(fā)生撕裂。根據(jù)這個(gè)測(cè)試結(jié)果看出吸管的強(qiáng)度還需要優(yōu)化，要維持其拉伸強(qiáng)度在55MPa以上，就必須要考慮控制其質(zhì)量分?jǐn)?shù)在40%以內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)材料柔韌性與強(qiáng)度的合理平衡。在提升改性PLA材料韌性方面，適量添加PBAT有著顯著效果，能夠有效解決PLA吸管易開裂的常見(jiàn)問(wèn)題，不過(guò)當(dāng)PBAT質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10%時(shí)，不僅無(wú)法增強(qiáng)韌性，反而會(huì)使PLA吸管韌性降低，導(dǎo)致使用過(guò)程中出現(xiàn)斷裂、螺紋爛牙等狀況；但是，從另一方面來(lái)看，PBAT含量在增加了以后，吸管的韌性也會(huì)有一定程度的強(qiáng)化，斷裂情況會(huì)減少。也就是PBAT質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于10%~20%區(qū)間時(shí)，PLA吸管各項(xiàng)性能達(dá)到最佳平衡狀態(tài)，此時(shí)沖擊開裂率＜2%、斷裂率＜3%，完全符合PLA吸管的實(shí)際使用要求。
2.2淀粉基改性PLA吸管研究進(jìn)展
天然淀粉與上述的各類可降解材料比較，憑借其廣泛的來(lái)源、經(jīng)濟(jì)的價(jià)格以及優(yōu)異的生物分解性，也成為業(yè)內(nèi)研究的對(duì)象。為融合淀粉的優(yōu)勢(shì)與PLA、PBAT等高分子材料的性能，改性淀粉被巧妙地引入這些生物降解材料的共混體系中，用于降低成本的同時(shí)，加速PBAT的生物降解過(guò)程。
某企業(yè)就以生物降解樹脂生產(chǎn)出“GP60系列”材料。GP60生物降解樹脂是以生物基PLA為基材，按照不同應(yīng)用的設(shè)計(jì)配方支撐，具有優(yōu)異的流動(dòng)性、韌性及良好成型性能在工業(yè)堆肥或自然環(huán)境下，被微生物逐步降解為小分子，并最終轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水。可用于替代傳統(tǒng)的PP、PE、PS等高分子材料用于一次性餐具、吸管、食品包裝等制造，解決一次性塑料制品對(duì)環(huán)境造成的白色污染問(wèn)題。
第一，研究人員先用GP60制成的厚度為1mm的測(cè)試樣品，在土壤填埋條件下對(duì)樣品進(jìn)行崩解測(cè)試，測(cè)試情況如圖1所示，從圖1可看出，在70天后，樣品基本已在土壤中完成降解。
第二，研究人員對(duì)GP60樹脂降解性能測(cè)試，GP60材料樣品按照《可堆肥塑料技術(shù)要求》（GB/T28206—2011/ISO17088:2008）進(jìn)行生物降解第三方實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，在100天就達(dá)到相對(duì)分解率90%。如下頁(yè)表2所示生物分解率測(cè)試結(jié)果如圖2所示，生物分解率曲線。其測(cè)試結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
第三，研究人員對(duì)GP60進(jìn)行食品接觸測(cè)試，按照中國(guó)、美國(guó)（FDA）和歐盟（EU）相關(guān)食品接觸標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)第三方實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，性能滿足要求，依據(jù)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品接觸用塑料材料及制品》（GB4806.7—2023），具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。
圖2生物分解率曲線
第四，應(yīng)用實(shí)例。吸管制品：GP60材質(zhì)一次性降解吸管已獲得中國(guó)工業(yè)生產(chǎn)許可證并進(jìn)入批量生產(chǎn)，常溫吸管適用飲品范圍為-10~50℃,高溫吸管適用飲品溫度范圍為-10~85℃；注塑制品：GP60材質(zhì)一次性刀叉碗碟等餐具制品已能實(shí)現(xiàn)注塑工藝的批量化生產(chǎn)，根據(jù)品類可分為常溫-10~50℃和耐高溫-10~100℃的兩種，滿足應(yīng)用需求。如圖3所示。
2.3 PBAT與PBS改性PLA吸管研究進(jìn)展
河北某研究團(tuán)隊(duì)提出一種創(chuàng)新的PLA吸管改性制備方法，該方法通過(guò)巧妙融合PBAT與PBS等生物可降解材料來(lái)提升PLA吸管綜合性能，具體配方按質(zhì)量份數(shù)計(jì)：PBAT占比25.0%~50.0%、PLA占比20.0%~50.0%，同時(shí)加入10.0%~25.0%的改性玉米秸稈粉以及0.3%~2.5%的添加劑以進(jìn)一步優(yōu)化材料性能，其中引入玉米秸稈粉主要是為降低生產(chǎn)成本，不過(guò)直接混合容易造成PLA基體與PBAT、改性玉米秸稈粉之間相容性和分散性不佳的問(wèn)題。為解決這一難題研究團(tuán)隊(duì)采用多元醇表面活性劑對(duì)玉米秸稈粉進(jìn)行特殊處理，有效改善了玉米秸稈粉在復(fù)合材料中的分散狀態(tài)并增強(qiáng)了界面結(jié)合力，斷條的問(wèn)題有所減少，吸管的拉伸強(qiáng)度也有了改善。
3 結(jié)語(yǔ)
在全球環(huán)保意識(shí)持續(xù)攀升的大環(huán)境下，可降解材料在一次性吸管領(lǐng)域的應(yīng)用研究不僅彰顯出巨大的環(huán)保價(jià)值，更揭示出未來(lái)消費(fèi)品市場(chǎng)朝著綠色、可持續(xù)方向轉(zhuǎn)型的必然走向。依托材料科學(xué)的持續(xù)創(chuàng)新以及生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)，可降解吸管正逐步攻克傳統(tǒng)塑料吸管造成的環(huán)境污染難題，朝著環(huán)保性更強(qiáng)、耐用性更佳、使用更便捷且品類更多樣化的方向穩(wěn)步發(fā)展。隨著市場(chǎng)和消費(fèi)者對(duì)環(huán)保產(chǎn)品的認(rèn)知逐步加深，再加上國(guó)內(nèi)大力治理塑料污染，未來(lái)可降解吸管的市場(chǎng)需求極有可能持續(xù)增長(zhǎng)，這一趨勢(shì)勢(shì)必會(huì)吸引更多企業(yè)投身于可降解材料的研發(fā)與應(yīng)用，進(jìn)而推動(dòng)行業(yè)技術(shù)的快速革新以及產(chǎn)業(yè)的升級(jí)轉(zhuǎn)型。
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