研究者发明了一种可以取代食物等产品包装上塑料涂层的新型生物材料,从而减少塑料包装的使用和生产带来的污染。

这种完全可降解的材料是基于多糖的聚合电解质络合物,这种合成物由等量的木材、棉花和提取自几丁质的壳聚糖中的纤维素浆组成,而几丁质则是节肢动物和甲壳动物外骨骼的主要成分。

几丁质的主要来源是人们食用的龙虾、螃蟹和小虾被丢弃的大量外壳。据宾州州立大学农业生物工程教授、首席研究员Jeffrey Catchmark介绍,从防水纸张到房屋吊顶和墙壁、到保鲜食品包装都对这些环境友好的防护涂层有各种各样的应用。

“这种材料出人意料的强不溶性粘合性能在包装和纯天然复合木材等其他应用中非常有用处,”他介绍道,“这种技术可在食品中利用,以减少油炸和保持酥脆的过程中摄入的脂肪。因为涂层材料本质上由纤维构成,这种方法则是在食品中加入纤维。”

他解释说羧甲基纤维素和几丁质之间牢固的连接是关键。两种常见并且已经应用于食品行业和其他工业领域的多糖带有不同的分子电荷并且结合在络合物中,这种络合物是抗渗薄膜、涂层、粘合剂等产品的基础。

如果这种防护涂层取代了美国每年在食品中使用的几百万吨石油基塑料,则可能大量地减少污染,Catchmark表示。

他指出全球塑料生产量已经接近每年三亿吨。近年来,美国超过2900万吨的塑料成为固体生活垃圾,其中一半是塑料包装。预计全球10%的塑料将会变成海洋中的碎片,成为生态和人类健康的一大威胁。

多糖聚电解质络合物制成的涂层在研究中表现出色,有关的成果近日发表在《绿色化学》上。带有纳米纤维粒子、羧甲基纤维素和几丁质组成的生物材料涂层的纸板显示出较强的防水防油性能。这种涂层同样可以阻挡甲苯、庚烷和盐水,并且展示出对于干湿环境下机械和水蒸气的防护性能的改进。

“这些结果表明多糖聚电解质络合物材料也许在商业应用中会与合成高分子材料进行竞争,” 与宾州州立大学合作为该涂料申请专利的Catchmark说道。“另外,这项工作表明,产生静电络合的多聚糖系统具有意料之外的新性能,为一些高性能应用提供了空间。”

Catchmark开始使用十几年前出于可持续性考虑而使用的塑料替代品,即一些生物材料进行实验。他对木材的主要成分纤维素开始产生兴趣,因为它是地球上量最大的可持续再生的材料。

Catchmark研究其纳米结构,也就是在纳米级上的组成。他相信能够制造更为健壮的天然材料并且提高其性能,从而使其与产生污染的不可持续性合成材料形成竞争,如纸板、泡沫塑料和制造杯子、瓶子的实心塑料板中使用的低密度聚乙烯层压板等材料。“其中的挑战是将你所做的用机器制造的方式制作出来,并且这种材料要比塑料更为便宜,” Catchmark解释道,“因为当你使某个东西变得更加绿色和可持续,你真的不得不为此付出代价。所以新的材料应该便宜一些使企业能够从中获利。这就为可持续材料造成了一个问题——一种需要由低成本来克服的惯性。”

Catchmark近来正在不同的产业中为更多品类的产品发展商业合作伙伴。“我们尝试去迈出最后一步,真正地影响世界,并且让人们使用这些天然材料而不再使用塑料,”他说,“这样消费者可以选择——在生物材料使用过后可以进行回收、地下填埋或者堆肥处理,之后这些材料便会降解。他们也可以继续使用最后变成海洋中几千年都无法降解的漂浮垃圾的塑料。”

作者:Jeff Mulhollem

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翻译:世界经济论坛博客翻译小组·徐嘉莹

责编:刘博睿

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