工业废物被再利用以生产塑料的替代品

在巴西，伊尔哈·索尔泰拉(Ilha Solteira)的圣保罗州立大学(UNESP)的研究人员开发了一种可以代替食品包装中塑料的薄膜。该薄膜是由羟丙基甲基纤维素(HPMC)和工业加工过程中残留的细菌纤维素碎片制成的。两种原材料都是可持续的。将它们组合以产生细菌纤维素纳米晶体和HPMC的可生物降解膜。

该产品优于仅由HPMC制成的薄膜。在ACS Applied Material&Interfaces杂志上发表了由FAPESP支持的有关该研究项目的文章。

“我们开始用细菌纤维素纳米晶体填充HMPC基质，以增强其性能。我们还希望为从材料本身到起源的新型复合材料的开发创建更绿色的协议，因此我们包括了对工业废物的再利用。该项目的共同作者。”文章的共同作者MárciaRegina de Moura Aouada说。Aouada拥有博士学位。她在UNESP的化学专业任教，并在FAPESP支持的研究，创新和传播中心(RIDC)之一的功能材料开发中心(CDMF)担任研究员。

自从获得博士学位以来，Aouada一直研究由可再生材料制成的薄膜以及可食用和可生物降解的薄膜，旨在减少以塑料食品包装形式倾倒的固体废物的产生。

“由HPMC和其他生物聚合物制成的薄膜的局限性之一是，与传统的衍生自石油的薄膜相比，它们的机械强度低。它们对水蒸气的渗透性也很高，从而限制了可用的应用范围。我们通过添加细菌纤维素改善了这些性能，联合国环境规划署(ESES)材料科学专业的研究生，该项目的第一作者帕梅拉·梅洛(Pamela Melo)说。在Aouada的监督下进行研究。

蛋糕配方

研究人员从七个工业生物技术公司获得了细菌纤维素废料，该公司在巴拉那州生产伤口敷料生物膜。为了将这些废料转化为适合食品包装的薄膜，他们首先将废料磨成粉末。“然后我们将粉末进行硫酸水解，这一过程在文献中有很好的描述，” Melo说。结果是细菌纤维素纳米晶体悬浮液，将它们与在水中稀释的HPMC混合以产生成膜的分散体，这是生物塑料行业关注的目标。

“仅靠制造良好的复合材料是不够的。我们需要找到通过改变诸如粘度和纳米粒子浓度等因素来获得良好薄膜性能的最佳解决方案。一个合理的类比可能是一个简单的配方：研究配方是我们研究中的另一项重大创新”，Aouada说。

“纳米晶体如何与HPMC基质相互作用并分布在其中，这将决定薄膜质量，因此我们进行了测试，并使用Turrax分散器通过高能分散达到了最佳分布，” Melo说。成膜分散体沉积在基板上。24-48小时后溶剂蒸发。结果是比仅HPMC的薄膜更坚固，渗透性更差。目前，材料吸收的水量限制了其在包装中的使用。

另一个积极的发现是，纳米晶体不会改变HPMC的透明度。

细菌纤维素的优点

纤维素是自然界中最丰富的聚合物，也是植物纤维的主要成分，为植物提供了刚性。植物纤维素是众所周知的，并用于造纸中，但是某些细菌，藻类和海洋无脊椎动物也分泌纤维素，纤维素已经在伤口敷料生物膜中使用了一段时间，现在正扩展到其他领域，例如食品包装。

保护自然环境受益最大。奥瓦达说：“细菌纤维素可以在实验室中全年生产，而不受天气和环境条件的影响。它是一种更纯净的分子，生产过程中产生的污染更少。” 植物纤维素的加工要求使用对环境有害的有机氯化合物消除木质素等杂质。

细菌纤维素的另一个优点是在其结构中存在纳米纤维。Aouada说：“这非常有趣，因为它赋予材料独特的性能，例如高抗拉强度，这意味着它可以承受一定的载荷或应力而不会破裂。”

研究人员计划继续测试成膜分散液，直到他们得出结论，他们开发出了具有竞争力的产品。他们正在研究其他聚合物分散技术，将它们与HPMC的使用进行比较，并评估其生物降解性。

如果它们成功开发出更好的成膜分散体，则可能会更大规模地使用细菌纤维素。奥瓦达说：“我们的主要重点是寻找生态学上不正确的材料的替代品，例如石油产品。此类替代品包括可再生资源衍生的可生物降解的复合材料。”

使用纤维素废料和其他种类的废料也有助于降低加工成本。消费者通常更喜欢塑料薄膜包装，因为它很便宜。此外，还有其他有希望的细菌纤维素来源，例如甘蔗和大豆工业。奥瓦达说：“研究表明，以甘蔗或大豆糖蜜为底物可以得到细菌纤维素。”

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