竹纖維+甘蔗渣!造就完美可降解餐具:低成本、高強度、疏水又耐油,2...

2020-12-05 中國生物技術網

一次性餐具給人們的生活帶來了便利，尤其是隨著外賣行業的發展，人們消費一次性餐具的數量激增。我國的網絡外賣平臺以某團、某餓為主，有環保組織對其消耗的一次性餐具量進行了統計，發現平均每單外賣會消耗3.27個一次性塑料餐具，那麼這些平臺每天將消耗近8000萬個，這還不包括其他平臺和傳統餐飲門店的消耗量。從世界範圍來看，全球每年消耗約160億個一次性咖啡杯，每天丟棄10億根塑料吸管，如此巨大的消耗量使得每年約有800萬噸的塑料廢物流入海洋，這些塑料垃圾保守估計也需要450年才能降解。

竹纖維和甘蔗渣編織成一次性餐具

圖1. （A）來自於石油的一次性餐具製造示意圖；（B）使用甘蔗渣和竹纖維生產可生物降解的餐具示意圖。

美國東北大學祝紅麗課題組將短的甘蔗渣纖維與長的竹纖維進行混紡，兩種纖維物理纏繞形成高度交織的網狀結構，隨後通過冷壓成型和熱壓乾燥工藝製備出了一次性餐具，完全可以替代塑料和傳統紙質餐具。

60天就能降解一半

圖2.（A-B）不同放大倍數下混合纖維的光學顯微圖像；（C-F）不同放大倍數下餐具表面的SEM圖像；（G）與塑料餐具（H）相比，混合纖維餐具的生物降解性能。

通過電鏡，研究者發現經過熱壓纖維中的木質素熔融以及纖維素之間的氫鍵作用使得纖維之間緊密結合在一起，形成3D網絡，提高了產品的耐水性和強度。

為了研究餐具的生物降解性，研究者將它們埋在土壤中，定期檢查形態和重量的變化。發現埋入20天後，餐具表面出現黃色真菌，30-45天後開始變形，60天後完全失去形狀並逐漸消失。而且杯子在放置60天後的重量從7.99 g降低到4.18 g，幾乎降解了一半。相反，作為對比的聚苯乙烯（PS）塑料餐具埋入60天後其外觀和形狀沒有任何變化。

Pb含量只有標準的1/8

圖3. 混合纖維餐具的重金屬含量和耐水，耐油性性研究。（A）餐具中重金屬含量對比；（B-C）餐具的耐油性；（D-E）餐具的接觸角和吸水率。

既然作為餐具來用，首先就要保證其安全性，尤其是重金屬，如Pb和As含量不能超標。根據歐洲食品接觸材料法規（EC）第1935/2004號和中國國家食品安全標準（食品接觸紙和紙板材料及其製品）GB 4806.8-2016,23,24的規定Pb和As的含量應分別低於3.0 mg/kg和1.0 mg/kg。研究者採用電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-OES）對混合纖維餐具中的Pb、As含量進行分析，發現Pb含量為0.3633 mg/kg，只有標準值的1/8，未檢測到As的存在。

作為餐具來說，耐油性和耐水性也非常關鍵。混合纖維餐具對水的接觸角達到127°，二次纖維成型紙漿SFMP和濾紙對水的接觸角為0°，商用蔗渣餐具為93°，混合纖維材質表現出優秀的疏水性。不僅如此，混合纖維餐具的吸水性只有59.4％，而市售蔗渣餐具為77.5％，濾紙149.2％，SFMP更是達到310％，如此低的吸水性是由於混合纖維高的疏水性和緻密結構造成的。

為了評價餐具耐油性，研究者根據紙漿和造紙工業技術協會（TAPPI）559 pm-96的標準進行了分析，發現混合纖維餐具的耐油脂性為6級，遠高於SFMP（1級），商用蔗渣餐具（4級）和濾紙（1級），表現出優異的耐油性能。

承受自身重量380倍的負荷依然堅挺

圖4.混合纖維餐具機械性能研究。

研究者對比了混合纖維與PS餐具的機械性能，發現抗張強度為35.0 MPa，比PS塑料杯（15.6 MPa）高至少2倍，楊氏模量為3.25 GPa，遠高於PS塑料杯的1.40 GPa。一個7.9克的混合纖維紙杯可以承受3千克的重量而依然能保持形狀不變，這個載荷足足是其自身重量的380倍。

二氧化碳排放量比塑料低97%

研究者對混合纖維餐具生產過程中排放的二氧化碳量進行了估算。據報導，生產1公斤發泡PS塑料的二氧化碳排放量為7.36公斤；根據歐洲紙箱紙板製造商協會（Pro-Carton）的統計，生產1公斤模壓紙漿產品的排放量為0.22公斤。因此，模壓混合纖維餐具的CO2排放比PS餐具低97％，比傳一次性紙質和PLA塑料餐具還低65％。

成本接近PS餐具

材料除了性能好，還得便宜才是王道。通過對比Plastics Insight-Market Intelligence網站的統計數據，研究者發現混合纖維餐具的成本為2,333美元/噸，只有PLA的一半（4,750美元/噸），與PS餐具接近（2,177美元/噸）。

結語：一種幾乎沒有缺點的混合纖維餐具

圖5. 混合纖維餐具與其它材質餐具的優勢對比。

為了解決日益嚴重的「白色汙染」問題，美國東北大學祝紅麗課題組將竹纖維和甘蔗渣纖維進行混紡→冷壓→熱壓處理，製備出一種可以快速降解的餐具，只需要60天就能降解48%；餐具中的Pb含量為0.3633 mg/kg，僅為標準的1/8；具有優異的耐水和耐油性；抗張強度為35.0 MPa，楊氏模量為3.25 GPa，遠高於PS塑料杯；生產1公斤產品CO2排放量為0.22公斤，比PS餐具低97％，成本僅為2,333美元/噸，與PS餐具接近（2,177美元/噸）。從安全性、氣味、CO2排放、成本、生物降解、豐度和可加工性七個方面進行對比分析，不難看出與其它材料相比，這種混合纖維材料製成的餐具在各個方面都堪稱完美，如果實現量產，全世界「白色汙染」難題的解決就指日可待了。

原文連結：

https://phys.org/news/2020-11-tableware-sugarcane-bamboo-days.html

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520305580?via%3Dihub

https://www.xianjichina.com/news/details_48675.html

2019年熱文TOP10

1. 逆轉2型糖尿病的大牛又發文了：2型糖尿病是簡單的疾病，減肥或逆轉病情！

2. 剛剛，Science發布2019十大科學突破！

3. Science重磅！西蘭花「喚醒」抗腫瘤基因

4. 讀者淚目！《柳葉刀》全中文發表中國醫學博士「家書」：給父親的一封信

5. 《Science》重磅！汝之「蜜糖」，吾之「砒霜...」

6. 喝酒，尤其還臉紅的人，或面臨更高的痴呆風險

7. Nature重磅！第一個完全合成且徹底改變DNA密碼的生物誕生了

8. 這不是一顆大榛子！Science發表新型口服胰島素，或將取代傳統注射

9. Science為防禿頂支招：先從不脫髮開始...

10. 改變精子速度，可以影響後代性別？

相關焦點

  • 用甘蔗和竹子製成的餐具60天就能分解—論文—科學網
    後來，祝紅麗在研討會和聚會上看到更多的塑料碗、盤子和餐具被扔進垃圾桶，於是她就想：「我們可以使用更可持續的材料嗎?」 為了找到塑料食品容器的替代品，祝紅麗和她的同事將目光轉向了竹子和最大的食品工業廢棄物之一：甘蔗渣，也被稱為甘蔗漿。又長又細的竹纖維和又短又粗的甘蔗渣纖維纏繞在一起，形成一個緊密的網狀結構，該團隊用這兩種機械穩定性強、可生物降解的材料製成容器。
  • 科學網—生物制新餐具60天分解
    生物材料杯子 圖片來源：《物質》 科學家設計了一套由甘蔗和竹子製成的「綠色」餐具，它不會犧牲便利性和功能性，並有可能成為塑料杯子和其他一次性塑料容器的替代品後來，祝紅麗在研討會和聚會上看到更多的塑料碗、盤子和餐具被扔進垃圾桶，於是她就想：「我們可以使用更可持續的材料嗎？」 為了找到塑料食品容器的替代品，祝紅麗和同事將目光轉向了竹子和最大的食品工業廢棄物之一 ——甘蔗渣，也被稱為甘蔗漿。又長又細的竹纖維和又短又粗的甘蔗渣纖維纏繞在一起，形成一個緊密的網狀結構，該團隊用這兩種機械穩定性強、可生物降解的材料製成容器。
  • 無毒、環保：生物制新餐具只需60天就能分解
    為了找到塑料食品容器的替代品，祝紅麗和同事將目光轉向了竹子和最大的食品工業廢棄物之一 ——甘蔗渣，也被稱為甘蔗漿。又長又細的竹纖維和又短又粗的甘蔗渣纖維纏繞在一起，形成一個緊密的網狀結構，該團隊用這兩種機械穩定性強、可生物降解的材料製成容器。
  • 生物制新餐具60天就能分解
    為了找到塑料食品容器的替代品，祝紅麗和她的同事將目光轉向了竹子和最大的食品工業廢棄物之一：甘蔗渣，也被稱為甘蔗漿。又長又細的竹纖維和又短又粗的甘蔗渣纖維纏繞在一起，形成一個緊密的網狀結構，該團隊用這兩種機械穩定性強、可生物降解的材料製成容器。這種新型綠色餐具不僅像塑料一樣堅固，可以盛下液體，而且比那些由可回收材料製成的生物降解品更乾淨，後者可能無法完全脫墨，而且在土壤中放置30~45天後就會開始分解，60天後就會完全失去形狀。
  • 製造環保餐具，材料有了新選擇
    用竹子和甘蔗渣製造的餐具。《Matter》雜誌近日發文稱，科學家們設計了一款由甘蔗渣和竹子製成的「綠色」餐具。這種餐具不會「犧牲」便利性和功能性，可以用作塑料杯和其他一次性塑料容器的替代品。傳統塑料（或生物可降解聚合物）的降解時間長達450年（或需要高溫），而這種無毒、環保的材料只需要60天就能夠降解。
  • 可降解餐具≠環保餐具 8成可降解餐盒是假貨
    明明是標著「可降解」的環保型餐具，怎麼飯盒盛上了飯菜會滲色？湯碗裝滿熱湯會變軟？點心盒稍微裝多點兒就會破裂……近日有業內人士透露，據相關協會調查，市面上有近80%可降解材質餐盒都是假的，「不但不一定能達到降解要求，有些標著『可降解』的餐具安全性也令人擔憂。」
  • 經濟學人| 你要這樣的甘蔗嗎?
    甘蔗含有約10%的糖。但這意味著它含有約90%的非糖-這種物質被稱為甘蔗渣（如圖），一旦甘蔗被粉碎，含糖果汁從甘蔗中擠出，它就會被保留。 2017年世界甘蔗產量為1.85億噸。結果有很多甘蔗渣。 At the moment, most of this is burned.
  • 用一次性紙餐具吃飯安全嗎?怎樣才算安全呢
    ，紙餐具按加工原料可分為紙板紙餐具、紙漿模塑紙餐具、淋膜紙餐具。由於紙張材質本身具有較好的滲透性能，因此製作餐具對於原料和工藝要求特別嚴格，控制不當就會出現餐具軟塌，或者食物從接縫處滲漏等問題。為了測試紙碗的物理安全，國家標準設計了滲漏、抗壓等指標考核紙餐具的使用性能。耐滲漏的具體測試方法是在一次性紙餐具中加入（90±5）℃熱水或者油水混合物，以模擬實際食品。
  • 甘蔗渣堆肥法
    ONELiving上一年末開始嘗試種的陽臺甘蔗。用甘蔗渣生產的堆肥肥料不僅能保持了植物的健康和土壤特性，就想想那些購買的椰糠的作用，讓土更蓬鬆不容易板結，並保護植物免受土壤傳播疾病的侵襲，我相信健康好土能給植物營養，而健康的植物自己能解決蟲害以及傳播疾病。
  • 踐行可持續發展理念 大家樂中國採用可降解餐盒支持環保
    而外賣服務在提供了深得人心的快捷便利和美味可口的食物的同時，每天不計其數的餐盒帶來垃圾降解動輒百年的環境影響，也讓使用更易降解材料做餐盒、注重環保和健康安全的呼聲在同步高漲。　　踐行可持續發展理念，以實際行動支持環保，始創於1968年的大家樂餐廳於近日宣布在環保餐盒領域的又一項新動作——大家樂內地門店的所有外賣餐盒，均使用可生物降解甘蔗渣製作的新餐盒。
  • 曾志翔:親油疏水材料與溢油應急裝備研究取得突破性進展
    2016年05月，中國科學院寧波材料技術與工程研究所研製出國內首條日產2500平方米連續式親油疏水材料生產線，並在上海儀耐新材料科技有限公司進行規模化投產。這標誌著該所海洋功能材料研究團隊研發的高性能親油疏水溢油應急材料實現產業化。這種材料吸油不吸水，與水的接觸角達到150°以上，能夠吸附自重23倍以上的原油，保油率達93%，可重複使用1000次以上。
  • 【乾貨】石墨烯的功能化改性——疏水疏油篇
    氧化石墨烯長久以來被視為親水性物質，因為其在水中具有優越的分散性，但是，相關實驗結果顯示，氧化石墨烯實際上具有兩親性，從石墨烯薄片邊緣到中央呈現親水至疏水的性質分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性劑一般存在界面，並降低界面間的能量。其親水性被廣泛認知。
  • 新型物理超疏水材料油水不粘
    原標題：新型物理超疏水材料油水不粘　　科技日報訊 （記者王小龍）不粘油也不粘水，液體落在上面會像小球一樣快速散開……美國科學家日前開發出一種神奇的疏水材料，將其噴塗在玻璃、金屬、塑料等材料的表面就能讓其排斥幾乎所有液體。經過處理的材料具有耐紫外線、耐高溫、耐腐蝕的特徵。
  • 疏水親油海綿低成本清理浮油
    作者：吳長鋒   來源：中國化工報    2014年07月04日 收藏 　　中化新網訊　　頻繁的石油洩漏事故對海洋生態系統和海洋環境帶來巨大的破壞，但隨著一種疏水親油海綿的研發成功
  • 生物可降解塑料將會有哪些發展趨勢?
    據Marc Verbrugen博士介紹，目前Natureworks生產的生物可降解塑料Ingeo的應用範圍，已經逐步從食品包裝、軟包裝、卡片擴展到耐用品。大概2-3年前，Natureworks開始對Ingeo的特性進行研究，發現它也可以適用於耐用品，甚至可以取代ABS或聚苯乙烯。
  • 北京冬奧會籤約「官方生物可降解餐具供應商」
    新京報快訊（記者 吳為）11月9日記者從北京冬奧組委獲悉，安徽豐原生物化學股份有限公司與北京冬奧組委籤約，成為北京2022年冬奧會和冬帕運會官方生物可降解餐具供應商，將為北京冬奧會提供生物可降解餐具和相關支持服務。
  • 中外科研人員為超疏水表面披上「鎧甲」
    中外科研人員為超疏水表面披上「鎧甲」 2020-06-04 20:05:27 來源：中國新聞網  |  作者：佚名 | 字號據了解，仿生荷葉的超疏水材料由於其獨特的固-液界面性質，在表面自清潔、生物防汙、防水抗結冰、流體減阻以及傳熱傳質等領域展現出了巨大的應用潛力，隨之又發展出了一系列如超親水、
  • 導讀:安徽豐原成為北京冬奧會「官方生物可降解餐具供應商」
    近期，安徽豐原生物化學股份有限公司與北京冬奧組委籤約，成為北京2022年冬奧會和冬帕運會生物可降解餐具官方供應商。　　冬奧組委全面落實「綠色、共享、開放、廉潔」的辦奧理念，堅持疫情防控和冬奧籌辦兩手抓，確保各項工作按計劃有序推進，努力創造冬奧會和地區可持續發展新典範。
  • 大熊貓吃甘蔗的時候是怎樣的?會不會和人一樣嚼碎吐渣?
    那麼大熊貓會吃甘蔗嗎？它們吃甘蔗的時候會不會也跟人類一樣嚼碎喝甘蔗汁而吐渣呢？下面我們針對這個問題一起來探究一下吧，看完你就知道答案了。首先，我們一起來了解一下熊貓的的情況。當然，研究表明，熊貓也會吃跟竹子差不多的甘蔗，而且它的吃法跟人類的吃法有些不一樣。人類吃甘蔗只是把甘蔗嚼碎喝汁液，而把那些甘蔗渣吐掉。因為人的消化系統難以把甘蔗渣消化掉。而熊貓不但喝甘蔗汁，還把那些甘蔗渣吃掉。這是因為熊貓的消化系統比較強，而且口腔結構也跟人類不一樣。人類口中覺得難以下咽的甘蔗渣在熊貓口中卻是「美味佳餚」。而且甘蔗的口感也比竹子的好一些。
  • 印度科學家用甘蔗渣制碳量子點—新聞—科學網
    「我們開發了一種簡單有效且低成本的從甘蔗渣中合成高螢光碳量子點的方法。」研究論文的合著者、印度欽奈馬德拉斯大學國家納米科學和技術中心副教授Shankaran Dhesingh博士說。 因為碳量子點能夠發光並且無毒，因此它們被作為生物傳感器、發光二極體利用，甚至在人體內傳送藥物。比如，有研究者將含碳量子點的液體注射到人體中，以便從人體內部看到圖像。