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  21世紀(jì)正在面臨嚴(yán)峻的環(huán)境危機和氣候問題。其中，以化石燃料為原料的塑料問題日益嚴(yán)峻。目前 全世界每年生產(chǎn)超過3.5億噸的塑料，這需要大約8%的化石燃料資源。^[1]  對塑料需求的不斷增長以及原材料成本的上漲，再加上由于廢物管理不善和低效的回收系統(tǒng)，塑料在未來會面臨更加嚴(yán)重的環(huán)境問題。合成塑料降解周期長達(dá)數(shù)十年或數(shù)百年是目前可持續(xù)性利用塑料制品的核心挑戰(zhàn)。因此尋求可持續(xù)以及可生物降解的塑料替代品已成為一項緊迫的任務(wù)。

  最近，塔夫茨大學(xué)生物工程系的David L Kaplan 教授，李春梅博士，以及博士后研究員吳俊奇等人就尋求可生物降解，純天然生物高分子材料以替代合成塑料上做了深入的討論和梳理。文中重點討論了纖維類的生物高分子（纖維素，甲殼素，和蠶絲）在替代合成塑料上的優(yōu)勢。通過比較目前該類材料的加工方式，分析了溶劑類加工方式和纖維化加工方式(Fibrillated)在工業(yè)化和價格上的優(yōu)勢，同時也指出用熱塑性加工方法加工的新的機會和可行性。該綜述發(fā)表在Advanced Materials, Hall of Fame系列上。

  該文章以碳循環(huán)著手，首先討論了目前化石燃料為主的合成塑料的線性生命周期，指出了生物高分子材料在打破線性周期，實現(xiàn)可循環(huán)利用上的優(yōu)勢。

圖a: 合成塑料和可降解生物纖維材料的碳循環(huán)周期

  之后，作者就纖維素，蠶絲，甲殼素以及合成高分子聚合物在結(jié)構(gòu)上做了比較，詳細(xì)分析了生物高分子結(jié)構(gòu)的層級復(fù)雜性。

圖b: 傳統(tǒng)塑料和生物高分子材料的結(jié)構(gòu)和聚合形式

  傳統(tǒng)塑料制品通常使用熱塑性加工，這種方法在工業(yè)上具有很大的優(yōu)勢。生物高分子材料結(jié)構(gòu)的多級性導(dǎo)致了他們在使用傳統(tǒng)熱塑性加工上比合成聚合物更具挑戰(zhàn)。 作者從生物高分子纖維材料結(jié)構(gòu)共通性入手，解釋了在實現(xiàn)熱塑性加工上面臨的挑戰(zhàn)。合成塑料一般是由重復(fù)性單鏈構(gòu)成的線性或者帶支鏈的高分子結(jié)構(gòu)。他們有分界明顯的玻璃轉(zhuǎn)換溫度，熔點和熱降解溫度。這為熱塑性加工提供了可能。生物高分子以氫鍵為基礎(chǔ)形成的多層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致熔點和熱降解溫度通常難以區(qū)分，因此熱塑性加工面臨很大的挑戰(zhàn), 這也解釋了為什么生物高分子材料目前仍以溶劑類加工方法為主。

圖c: 合成塑料和高分子生物材料的熱塑性和加工方式的比較

  蠶絲材料的熱塑性加工為高分子材料熱塑性加工提供了先例。在該綜述里， 作者回顧了該實驗室用蠶絲無定形態(tài)納米顆粒作為固體形式，通過加壓加溫形成具有極強機械性能的塑料材料的工作，分析了水分子在熱塑性中起到的作用和對蠶絲β折疊結(jié)構(gòu)的影響。該項工作證實了高分子生物材料熱塑性加工的可能性，為實現(xiàn)更多生物高分子熱塑性加工提供了模板。

圖d: 蠶絲材料的熱塑性加工

  參考資料：[1]https://www.statista.com/statistics/282732/global-production-of-plastics-since-1950/.

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202105196

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