日益增長的塑料制品引用導致了愈來愈嚴重的環(huán)境污染問題。塑料吸管引起的環(huán)境問題尤其突出。其一，塑料吸管的使用量巨大，例如美國每天的塑料吸管消耗量就超過5億只。其二，絕大多數(shù)的塑料吸管都是一次性的，而且由于塑料吸管通常體積小，重量輕，導致無法被回收。為了解決塑料吸管帶來的潛在環(huán)境問題，越來越多的地方政府和大型企業(yè)都在推行“限塑令”。例如，星巴克公司計劃在2020年所有咖啡連鎖店告別塑料吸管，預(yù)計可以每年減少10億多根塑料吸管的使用。因此市場上急需一種可以代替塑料吸管的可降解吸管。用涂有防水蠟表層的紙做成的紙吸管雖然可以降解，但其水穩(wěn)定性較差、機械強度低，而且制備成本較高，導致紙吸管無法成為替代塑料吸管的理想環(huán)保吸管方案。
纖維素作為世界上蘊含量最豐富的天然高分子材料在替代塑料方面有很好的前景。天然木材中含有40-45%的纖維素。在甘蔗榨取蔗糖之后的殘余甘蔗渣中有超過50%的纖維素，但甘蔗渣目前基本上被當作生產(chǎn)廢料處理。纖維素具有卓越的機械性能（2-3GPa?強度），低密度（1.5?g/cm3），低成本，可降解性等特點，是替代塑料的理想材料。
成果簡介
美國馬里蘭大學李騰教授和胡良兵教授共同領(lǐng)導的研究團隊提出了一種基于復(fù)合納米纖維素和微米纖維素的無粘合劑設(shè)計制造的吸管替代不可降解的塑料吸管的方法。納米纖維素和微米纖維素都可以從甘蔗渣、木材等低成本原材料中大規(guī)模獲得。濕的微-納米混合纖維素的薄膜可以被卷成吸管形狀。干燥之后，薄膜接觸的邊緣可以通過內(nèi)部形成的大量氫鍵來實現(xiàn)密封和閉合接口?(圖1)。這種方法制作的微-納米混合纖維素吸管避免了粘合劑和防水蠟紙的使用，減少了生產(chǎn)成本和復(fù)雜的工藝。微-納米混合纖維素吸管表現(xiàn)出色，具有優(yōu)異的機械性能?（拉伸強度約為70MPa，延伸度高，斷裂應(yīng)變?yōu)?2.7%），足夠的防水性（濕機械強度是目前商業(yè)紙吸管的10倍），低成本，低密度?（~0.66?g/cm3）和高自然降解性?；谶@些優(yōu)勢，微-納米混合纖維素吸管展示出代替塑料吸管的巨大潛力。該成果近期以“All-Natural, Degradable, Rolled-Up Straws Based on Cellulose Micro- and Nano-Hybrid Fibers”為題發(fā)表在國際著名期刊Advanced?Functional?Materials上。
與只含有微米纖維素的傳統(tǒng)紙吸管相比，含有大量羥基且具有更大的比表面積的納米纖維素的加入不但極大地填補了微米纖維素之間的空隙，賦予混合膜致密的結(jié)構(gòu)?（圖2a-f）。與此同時，納米纖維素也增強了微-納米混合纖維素吸管的力學性質(zhì)。與微米纖維素吸管相比，混合纖維素吸管的彎曲強度提高了約6倍（圖2h），拉伸強度提高了約70倍（圖2i）。微-納米混合纖維素吸管的力學性質(zhì)也強于塑料吸管。更加致密的質(zhì)地也使混合纖維素吸管擁有了更好的防水性能，微-納米混合纖維素吸管可以在水中穩(wěn)定4小時而不出現(xiàn)分層顯現(xiàn)。
此外，該研究團隊還通過經(jīng)典分子動力學模擬搭建粗粒化模型實現(xiàn)大尺度纖維素模擬，進而從機理上證實了復(fù)合纖維素的優(yōu)異的力學性能。纖維素在拉伸過程中并不會出現(xiàn)纖維素鏈的斷裂，而是由于纖維素之間的滑移出現(xiàn)破壞，分子動力學模擬也很好的詮釋了這一過程。圖3a-c 展示了不同尺度的纖維素在拉伸過程中單位面積的受力與滑移位移的關(guān)系曲線，鋸齒狀的曲線表明了氫鍵形成，破壞以及再形成，再破壞的過程。圖3結(jié)果顯示納米纖維素（圖3c）比微米纖維素（圖3a）有著更高的強度，但是卻表現(xiàn)出更低的破壞位移。當我們將微-納米纖維素進行混合后發(fā)現(xiàn)其不僅能保持較高的強度，而且較大的破壞位移也得以很好的繼承（圖3b）。因此通過計算不同混合比例后纖維素的斷裂能（圖3d）發(fā)現(xiàn)納米纖維素由于其較高的應(yīng)力水平而體現(xiàn)出17倍于微米纖維素的破壞性能，但是微-納米混合纖維素則由于其平衡了應(yīng)力水平與滑移距離的矛盾，實現(xiàn)了其力學性能的顯著提升，這為工業(yè)化制備高性能微-納米混合纖維素吸管提供了堅實的理論基礎(chǔ)，同時該團隊發(fā)展的關(guān)于纖維素的粗?；肿觿恿W模型也可廣泛的用于更大尺度更深入的纖維素研究工作。
纖維素已表現(xiàn)出強大的競爭力而逐漸被廣泛的關(guān)注，利用其低成本、完全降解的特性代替塑料吸管具有巨大的應(yīng)用前景?；诂F(xiàn)有的紙吸管制造機器，可以輕松實現(xiàn)微-納米混合纖維素吸管的低成本量產(chǎn)，同時其優(yōu)良的力學性能也為其工業(yè)化生產(chǎn)提供了強有力的競爭力。
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