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吉林大学孙俊奇教授《AM》:新型可降解PVA基塑料,在水环境中仍可保持高强度

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高分子科学前沿 2021-03-04 10:53

全球每年有超过一亿吨的塑料垃圾被丢弃,造成严重的环境污染,而解决塑料垃圾堆积问题最有效的途径是采用可在自然环境中完全降解为环保物质的新型塑料来替代传统塑料。

在自然环境中,聚乙烯醇(PVA)能被微生物完全降解为CO2和H2O。因此环保可降解的聚乙烯醇基塑料具有广泛的潜在应用前景,然而由于PVA的水溶性,这些PVA基塑料从环境中吸收水,在水中表现出较低的机械强度。

为此,吉林大学化学学院孙俊奇教授在《Advanced Materials》上以“Degradable Poly(vinyl alcohol)-Based Supramolecular Plastics with High Mechanical Strength in a Watery Environment”为题报道了一种在水中仍具有高机械强度的全降解VPVA-HA-Fe塑料。

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图1. VPVA-HA-Fe超分子塑料的制备示意图以及化学机构图

图1a为PVA基超分子塑料的制备过程。疏水腐植酸(HA)纳米颗粒在DMSO溶液中与VPVA形成氢键。加入Fe 3+离子后,HA纳米粒子与Fe 3+离子通过配位作用交联,在VPVA-HA-Fe配合物中形成聚集的HA纳米粒子。TEM图像也显示,VPVA-HA-Fe塑料中存在平均粒径约为41.2 nm的纳米颗粒(图1b)。DMSO蒸发后,得到分散良好的Fe 3+螯合HA纳米颗粒的VPVA-HA-Fe塑料(图1c)。

图2.材料力学性质

如图2b所示,厚度为110 μm,宽度为1cm的VPVA-HA-Fe塑料条的可承受10kg的重量而无损伤,具有较高的承载能力。如图2c所示,在空气湿度为75%和100%下,VPVA-HA-Fe塑料的断裂强度分别为50.5 MPa和44.8 MPa。这些数值高于传统的PE塑料,其断裂强度一般在15~30 MPa之间。在室温浸水12 h后,高度水化的VPVA-HA-Fe塑料仍保持26.2 MPa的良好断裂强度(图2d)。在水中浸泡7 d后,断裂强度并没有随着浸泡时间的增加而降低,证实了VPVA-HA-Fe塑料在水中具有较高的机械强度。

图3.采用VPVA-HA-Fe塑料制备塑料袋

焊接后的塑料条可以承受10kg的重量而不断裂,拉伸试验证实,焊接后的VPVA-HA-Fe塑料与原始塑料具有相似的力学性能(图3b)。在水中浸泡7天,VPVA-HA-Fe塑料袋可以承受2公斤的重量而不会受到任何损伤(图3e)。

图4. VPVA-HA-Fe塑料在土壤中的降解。

如图4a所示,随着埋在土中时间的增加,VPVA-HA-Fe塑料的质量不断下降。埋入108 d后,VPVA-HA-Fe塑料完全降解。聚乙烯醇的降解导致了VPVA-HA-Fe塑料的完全降解。如图4c所示VPVA-HA-Fe塑料埋入土壤后,逐渐从土壤中吸收水分,部分破坏了塑料内部的氢键和配位作用,导致塑料膨胀。土壤中的微生物粘附在塑料表面,并分泌脱氢酶、氧化酶、水解酶和醛缩酶等。香兰素是在土壤中Fe 3+、Ca 2+、Al 3+等Lewis酸的催化下由VPVA链水解而成的。脱氢酶和氧化酶可将PVA的脂肪族羟基氧化成二酮基,水解酶和醛缩酶可催化二酮的碳碳键的裂解。最后,将VPVA-HA-Fe塑料被降解成环境友好的HA纳米颗粒和小分子如香兰素或香兰素衍生物、二氧化碳和水。

【总结】

本文报道了一种用香草醛接枝的聚乙烯醇、疏水的胡敏酸和Fe 3+络合法制备的高机械强度的全降解VPVA-HA-Fe塑料。VPVA-HA-Fe塑料由环保、经济、资源丰富的原材料组成,并且由于氢键和配位相互作用的动态特性,VPVA-HA-Fe塑料具有良好的可回收性和再加工性。此外,VPVA-HA-Fe塑料制备适合大批量生产。因此,VPVA-HA-Fe塑料既有广泛的应用前景。

来源:高分子科学前沿

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