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科学家研发耐用的新型生物塑料

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用生物质代替原油和天然气制造塑料材料具有许多环境效益,但这些所谓的生物塑料往往在一些关键领域表现不佳。阿克伦大学的科学家们可能已经找到了解决这样一个缺点的办法:他们设计了一种新形式的PLA塑料,可以用来容纳沸腾的液体。

与由生物质制成的塑料相比,卓越的强度和柔韧性、以及在高温下的稳定性是传统塑料所具有的优势。最近,日本的一个科学家团队取得了突破性的进展,他们使用天然材料作为构件,制造出了一种具有最高耐热性的塑料,而这项最新的研究再次推动了这些生物塑料的发展。

阿克伦大学团队专注于一种名为聚乳酸(PLA)的常见形式的生物塑料,它的生产成本很低,是食品包装、塑料瓶和餐具等物品的热门选择。然而,当它遇到高温时会遇到麻烦。

“PLA是世界上最重要的100%生物基和完全可堆肥的聚合物,”密歇根州立大学的杰出教授Ramani Narayan博士说,他不是这项研究的作者,但他的工作主要是开发生物塑料。“但它的韧性低,热变形温度低。它在60°C左右就会软化并发生结构性塌陷,因此在许多热食品包装应用和一次性容器中无法使用。”

在王世庆博士的带领下,阿克伦大学的团队通过重新想象PLA塑料的复杂结构,瞄准了这个问题。王世庆将其比作一串意大利面条,组成塑料的链状分子代表了各个面条。塑料的韧性与这些面条的交织程度息息相关。据该团队介绍,通过调整晶体的形成方式,并将它们的尺寸限制在纳米级,科学家们能够创造出这些面条高度交织的“链状网络”。

这项技术的成果是一种坚韧、透明和耐热的聚乳酸塑料,并将其制成原型杯,可以装入开水而不会收缩、降解和变成不透明。该团队表示,这样的杯子可以作为热茶和咖啡等更环保的选择。

虽然生物塑料的降解速度更快,生产时消耗的能源更少,而且比石油基塑料的碳足迹更小,但这种材料的某些方面仍然存在问题。这些问题包括是否有妥善处理生物塑料的设施,以及生物塑料的安全性。最近的一项研究发现,生物塑料与普通塑料一样,含有同样多的有毒成分。

在任何情况下,塑料污染问题都不会很快消失,所以在如何生产塑料方面有更多的选择,可能会被证明是有价值的,以尽量减少其对环境的影响。该团队已经为其技术申请了专利,并希望它能帮助扩大PLA塑料的吸引力。

“我们的新理解的影响可能最终会刺激PLA市场成倍增长,”王世庆说。

该研究发表在《Macromolecules》杂志上。

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