香港中文大學(xué)：將樹葉和聚合物廢料轉(zhuǎn)化為低價可降解的Planstic打印長絲

2021年10月7日，南極熊獲悉，香港中文大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種聚合物基的3D打印材料，它幾乎可以完全生物降解的環(huán)保需求。

該團隊研發(fā)的 "Planstic "長絲由植物葉子和塑料廢料組成，具有高熵纖維。這些纖維可以幫助廢料吸附天然酶，在處理時加速其降解速度。科學(xué)家們說，經(jīng)過短短8周的土壤分解，他們的材料完全降解，只留下極少的微塑料顆粒，這有可能使其成為主流PET的生態(tài)友好替代品。

研究團隊在他們的論文中說："當(dāng)前，可生物降解塑料的主要問題在于它們只是被分解成更小的碎片，這并未實現(xiàn)對傳統(tǒng)塑料的完全生態(tài)處理。Planstic通過酶的催化降解解決了這個問題，它會使微塑料的降解反應(yīng)更有效地進行，從而加速了它們的降解。Planstic可以減少二次污染的處理成本，并且可以在日常生活中普遍使用，以解決全世界的塑料降解問題。"

△研究人員的'Planstic'3D打印長絲背后的生產(chǎn)方法。照片來自ACS Applied Polymer Materials雜志。

微塑料：一個全球性的威脅

盡管塑料具有固有的多功能性、廉價性和耐腐蝕性，但有資料顯示，塑料需要數(shù)千年的時間才能降解。這意味著，一旦那些聚合物產(chǎn)品被丟棄，它們就會成為環(huán)境的持久污染物，而當(dāng)它們分解成有毒的微塑料時，問題就特別嚴重，因為這些微塑料會隨著生物鏈越來越多地處理到人類身體當(dāng)中。

雖然可降解塑料袋的使用正在成為西方國家超市的常態(tài)，但香港的科學(xué)家們指出，這些塑料袋仍然會通過制造過程中消耗的原材料和高能量造成二次污染。

同樣，盡管食品相關(guān)的一次性包裝、餐具和容器經(jīng)常被標(biāo)示為由可生物降解的塑料制成，但實際上，它們只是被分解成更小的碎片。因此，許多這樣的聚合物商品仍然助長了日益嚴重的微塑料問題，根據(jù)最近的研究，現(xiàn)在導(dǎo)致美國人平均每年吃下39,000-52,000個聚合物顆粒。

△Planstic長絲在八周的時間內(nèi)被降解。圖片來自ACS Applied Polymer Materials雜志。

一種 "Planstic "解決方案

為了幫助世界從微塑料的飲食中解脫出來，香港團隊已經(jīng)制定了一種低成本的植物融合塑料，利用天然酶來更有效地降解微小的聚合物顆粒。綽號為Planstic，研究人員的新型材料是通過將紫荊樹葉和磨碎的PET混合、塑化并在 "Chembox "中打印出來的。

在創(chuàng)造材料的過程中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)有可能整合來自短生長周期的Cercischinensis的葉子，它自然包括長纖維，適合于降解。該團隊還發(fā)現(xiàn)，在交叉點加強這些纖維可以改善所產(chǎn)生的長絲的特性，同時可以優(yōu)化每種成分的劑量，以盡量減少能量損失。

研究人員在最終確定了材料后，將80%的植物纖維和20%的PET混合，并使用NanoscribePhotonic Professional GT2 3D打印機將其沉積到一系列的微結(jié)構(gòu)中。SEM成像結(jié)果顯示Planstic可以被3D打印成具有小至160納米的精細特征的部件后，隨后它被證明在壓力測試下要比普通塑料袋更有韌性，但強度較低。

為了評估Planstic長絲的生物降解性，該團隊隨后將其放入堆肥土壤中，發(fā)現(xiàn)其葉基中的酶可以分解掉那些難以降解的物質(zhì)，如角蛋白。有趣的是，這種材料不太穩(wěn)定的表面也提高了分解率，因為它允許微生物與它接觸并加速這一過程，幫助實現(xiàn)塑料的幾乎完全降解。

在初步試驗成功后，研究人員說他們的Planstic材料證明了可以吸引微生物分解和加速塑料降解的良好效果。展望未來，該團隊建議，這種閉環(huán)回收方法甚至可以取代填埋或焚燒處理方法，減少納米技術(shù)的能源壓力，從而幫助建立一個環(huán)境友好型社會。

△近年來，生物3D打印的規(guī)模不斷擴大。照片顯示W(wǎng)ASP的 "TECLA "生態(tài)棲息地。照片來自WASP。

研究人員的研究結(jié)果詳見他們的論文，題為 "Planstic:Biodegradable Plastic with High-Entropy Fibers Made from Waste Plastic andPlant Leaves"，這篇論文是由Ziao Wang, Yao Xu, Rulin Liu和Xi Zhu共同撰寫的。

相關(guān)論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsapm.1c01242

推進生物增材制造

鑒于許多3D打印聚合物和其他塑料一樣屬于世界上微塑料問題的一部分，研究人員會繼續(xù)開發(fā)生物替代物，其中包括各種自然元素，從土壤到昆蟲糞便。

麻省理工學(xué)院（MIT）的科學(xué)家們已經(jīng)轉(zhuǎn)向?qū)嶒炇遗囵B(yǎng)的木質(zhì)細胞，作為生產(chǎn)他們自己的可持續(xù)3D打印生物材料的一種手段。通過培養(yǎng)他們的材料，以一種類似于培養(yǎng)肉的方法，該團隊認為它可以變成一種木材替代品，有可能被3D打印成自制的家具。

在商業(yè)層面上，Desktop Metal公司也已經(jīng)開始通過其Forust木材3D打印子公司對木質(zhì)部件進行粘合劑噴射。該公司目前正在擴大木材制造業(yè)和造紙業(yè)的廢棄副產(chǎn)品的回收利用，如鋸末和木質(zhì)素，然后將它們與生物環(huán)氧樹脂混合，用于建筑增材制造應(yīng)用。

在建筑行業(yè)，WASP利用土壤、大米、谷殼和石灰等天然材料，3D打印了一體化生態(tài)友好型有機房屋。今年早些時候完成的自我支持的碳中和"TECLA "房屋，就是作為可持續(xù)的新房屋建筑模式的概念驗證。