东华大学和青岛大学团队成功研发可生物降解熔喷纳米纤维材料

在当今全球对环境保护日益重视的背景下，传统石化塑料的不可降解性给环境带来了沉重的负担。据研究预测，到2025年将有110亿吨塑料被直接弃至自然环境，而石化塑料由于具有较强的共价键，其自然降解性通常很差，不完全分解产物即微塑料在土壤中不断积累，造成长期且严重的环境污染。因此，开发可生物降解的替代材料成为了科研人员的重要课题。来自东华大学和青岛大学的研究人员在中国工程院院刊《Engineering》发表了题为“Large-Scale Preparation of Mechanically High-Performance and Biodegradable PLA/PHBV Melt-Blown Nonwovens with Nanofibers”（高机械性能可生物降解PLA/PHBV熔喷纳米纤维材料的规模化制备）的研究论文为我们带来了新的希望。东华大学刘高慧为第一作者，王先锋研究员、丁彬教授为通讯作者。 

文章报道了一种规模化制备高机械性能、可生物降解的PLA/PHBV [PLA：聚乳酸；PHBV：聚（3-羟基丁酸-co-3-羟基戊酸酯）]熔喷纤维材料的简单方法。PLA作为一种可生物降解材料，因其良好的生物相容性和可再生性，在医疗、制药、农业、包装、服装等领域得到了广泛应用。然而，PLA熔喷纤维材料通常存在强度低、韧性差的缺点，这限制了其在一些高性能要求领域的应用。为了解决这一问题，研究人员在PLA中加入了少量的PHBV，通过实验发现，这种添加可以提高材料的结晶速率和结晶度。 在实验过程中，研究人员将PLA和PHBV在80℃的鼓风烘箱中烘干12小时以去除水分，然后分别将PHBV母粒以质量分数0、2.5%、5.0%和7.5%的比例与PLA母粒均匀混合，最后采用熔喷设备制造样品。实验结果显示，当PHBV含量从0增加到7.5wt%时，PLA/PHBV熔喷纤维的直径明显减小，纳米纤维的比例从7.7%增加到42.9%。

特别是当PHBV含量为5wt%时，所得PLA/PHBV熔喷纤维材料表现出较高的力学性能，其拉伸应力、伸长率和韧性分别达到2.5MPa、45%和1.0MJ/m³。这一结果表明，通过添加适量的PHBV可以显著改善PLA熔喷纤维材料的力学性能，使其能够满足更多高性能应用的需求。 更令人振奋的是，这种PLA/PHBV熔喷纤维材料还具有良好的生物降解性。研究人员将PP（聚丙烯）、PLA和PLA/PHBV熔喷纤维材料裁剪成10 cm × 10 cm的大小，埋在10 cm深的土壤中，并添加了10%的高效微生物堆肥菌以加速生物降解。实验观察到，PLA和PLA/PHBV熔喷纤维材料在土壤中埋藏2个月后开始破裂，4个月后可以完全降解为二氧化碳和水，而PP熔喷纤维材料则没有明显变化。这表明，PLA/PHBV熔喷纤维材料在使用寿命结束后能够自然降解，不会对环境造成长期污染，是一种环境友好的材料。 

此外，研究人员还对PLA/PHBV熔喷纤维材料的拉伸过程进行了表征和分析，并提出了熔喷纤维材料的一般拉伸破坏模型。这一模型的建立为进一步提高非织造材料的力学性能提供了理论依据，有助于推动可生物降解材料在更多领域的应用和发展。 这项研究提供了一种规模化制备具有高强度和优异韧性特征的可生物降解PLA/PHBV熔喷纤维材料的新方法。通过在PLA中添加少量PHBV，不仅提高了材料的结晶速率和结晶度，改善了力学性能，还保持了良好的生物降解性。这种材料有望取代现有的PP熔喷纤维材料，在医疗、过滤、环保等领域具有广阔的应用前景。随着相关技术的不断发展和完善，可生物降解材料将在环境保护和可持续发展方面发挥越来越重要的作用。