全球每年制造約3億噸塑料產(chǎn)品，其中很大部分為一次性塑料制品。使用時間僅為幾分鐘的塑料吸管可能需要幾百年的時間才能實(shí)現(xiàn)完全降解，影響環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)。并且，有大量的研究表明塑料制品在使用過程中會持續(xù)釋放微塑料，威脅人類健康。目前，市面上有紙吸管和可降解聚乳酸吸管作為替代。但是聚乳酸吸管不耐熱且原料昂貴，紙吸管容易坍塌，影響使用。因此，開發(fā)一種制備具有優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度和耐熱性能、不釋放微塑料的可降解一次性吸管的材料是大勢所趨。

纖維素是由葡萄糖基重復(fù)單元形成的一種天然多糖。除了植物，細(xì)菌也能生產(chǎn)纖維素，稱為細(xì)菌纖維素，并且細(xì)菌纖維素有更高的結(jié)晶性和獨(dú)特的超精細(xì)納米網(wǎng)格，賦予自身超強(qiáng)的機(jī)械性能。基于此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士、管慶方副研究員合作，利用木葡糖酸醋桿菌合成的纖維素為基礎(chǔ)，制備了力學(xué)性能優(yōu)異、耐熱、不釋放微塑料并且可食用的吸管。相關(guān)論文以“Edible, Ultrastrong, and Microplastic-Free Bacterial Cellulose-Based Straws by Biosynthesis”為題，發(fā)表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上。

細(xì)菌纖維素變身紙吸管，不需要膠水

通過木葡糖酸醋桿菌合成的纖維素凝膠純度相對較高（不含有木質(zhì)素和半纖維素），其中3D納米網(wǎng)絡(luò)還帶來高力學(xué)性能和水含量（99 wt%）。但是，細(xì)菌纖維素的親水性會造成材料溶脹，降低力學(xué)性能。為了提高材料在濕態(tài)下的強(qiáng)度，作者在其表面修飾一層海藻酸鈉（后續(xù)轉(zhuǎn)化為藻酸鈣），同時，海藻酸鈉會滲透到細(xì)菌纖維素的3D納米網(wǎng)絡(luò)的孔隙中，和海藻酸鈉之間形成大量氫鍵，從而形成牢固的連接，不需要膠水，就能通過卷曲得到吸管的形狀。將吸管浸入乳酸鈣溶液中，海藻酸鈉和細(xì)菌纖維素可以通過鈣離子進(jìn)行交聯(lián)，進(jìn)一步提升力學(xué)強(qiáng)度。

性能遠(yuǎn)優(yōu)于紙吸管，強(qiáng)度是紙張的14倍

這種吸管可以在實(shí)驗室大量制備，并且海藻酸鈉的引入填充了細(xì)菌纖維素網(wǎng)絡(luò)中的孔隙。卷曲后層與層之間沒有明顯的邊界。

細(xì)菌纖維素-海藻酸鈉膜的抗張強(qiáng)度達(dá)到420.5 ± 31.3 MPa（紙張40.8 ± 5.5 MPa），韌性達(dá)到23.9 ± 1.7 MJ m?3，是紙張的14倍之多；抗壓強(qiáng)度、模量和彎曲強(qiáng)度分別達(dá)到25.3 ± 2.7 MPa、474.4 ± 51.0 MPa和35.3 ± 3.9 MPa，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的紙吸管。即使在濕態(tài)下，制備的吸管的彎曲強(qiáng)度也優(yōu)于表面涂覆疏水層的商用紙吸管。

可食用性、可降解、成本低廉

作者還制備了一系列顏色的細(xì)菌纖維素吸管。并且，這種吸管的口感都可以通過加入水果或者蔬菜的提取物加以調(diào)節(jié)，提升用戶體驗。在埋入土壤15天后，吸管已開始降解，45天后基本消失，60天后完全不見蹤影。并且由于紙吸管表面粗糙，插入可樂中會造成大量氣泡的流失，影響口感，而作者制備的吸管就可以完美避免這個問題。并且在0~95 oC的溫度范圍內(nèi)，制備的吸管都能保持穩(wěn)定，而紙吸管很容易坍塌。更難得的是，這種吸管的成本平均每根只有0.3 分，與塑料吸管（0.2 分）差不多，而紙吸管則達(dá)到4 分。因此這種基于細(xì)菌纖維素的吸管可以成為吸管中的六邊形戰(zhàn)士。

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