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可以被海洋生物分解的新型塑膠,竟然是用纖維素、澱粉做出來的!

活躍星系核
・2020/11/20 ・1906字 ・閱讀時間約 3 分鐘
  • 沈培恩|渴望對科普有一點微薄貢獻的小小社畜、李怜慧

當我們提到纖維素、澱粉時,是不是會馬上想到中午便當裡的炒青菜、白飯呢?然而,今日要討論的可不是午餐菜色!現在,纖維素、澱粉化身為科學家的重要材料,並且成功藉此研發出更環保的「塑膠」。

這是來自日本大阪大學宇山浩教授團隊的研究成果,長期以來,宇山浩教授的團隊一直都致力於環保材料的研發,並在今年順利開發出以纖維素與澱粉為原料的塑膠。

想讓海洋變美麗?請把塑膠變不見

塑膠垃圾摧毀海洋生態問題日益嚴重,開發具海洋生物分解性之塑膠是未來必要的開發趨勢。圖/Pixabay

因工業發展與日常消費產生的塑膠垃圾,其難以被分解的特性,對環境造成的汙染日益嚴重,其中許多塑膠垃圾從都市或鄉村逸散,隨著雨水或河水流動,從陸地最終流入大海,無論是以塊材或是微粒的方式,它們都正在狠狠地摧毀海洋生態與環境,因此開發具生物分解性之塑膠——更精確地說,是具海洋生物分解性的塑膠——是一條勢在必行的路。

隆重歡迎塑膠界新生代——纖維素與澱粉

日本,可謂是全世界在海洋生物分解性之塑膠材料的領頭羊,除了正積極向國際標準化組織 (ISO) 等組織提案關於海洋生物分解性塑膠之標準外,相關材料的研發也正如火如荼地進行著1

到目前為止,以三菱化工生產的 PBS2 及鐘淵化工生產的 PHBH3 為首,日本的企業已開發出多樣的海洋生物分解性塑膠,然而這些材料目前仍因突破不了產量低及價格高等難關,在普及方面尚無法有更進一步的發展。

宇山浩教授領導的研究團隊看見了纖維素與澱粉這兩種天然材料在海洋生物分解性塑膠領域的潛力,便致力於相關開發,並於今年順利以纖維素與澱粉為原料,開發出具海洋生物分解性之塑膠4

剛中帶柔~高強度卻又容易破洞的塑膠

澱粉價格低廉且具生物分解性,但由於耐水性不佳的關係,在過往綠色塑膠材料的研究裡並不太廣泛地被應用。此次,宇山浩教授的團隊順利透過同為醣類的纖維素,與澱粉相互強化,製備出透明且具高強度之塑膠,為澱粉在生物分解材料的應用上開啟了新的篇章。

事前,宇山浩教授團隊將 TEMPO 氧化之纖維素註1 與澱粉進行反應,使纖維素與澱粉間產生大量的鍵結,所得到的塑膠膜在外觀上非常透明,與纖維素之衍生物不透明的外觀在直覺上相去甚遠(圖 1)。

圖 1 利用纖維素與澱粉合成的塑膠膜的外觀。
圖/大阪大學宇山浩教授提供

另外,在強度方面,宇山浩教授團隊所開發的塑膠膜具有非常好的機械強度 (mechanical strength) ,在拉伸測試中它可承受的應力比一般塑膠高出 2 倍,比較不容易被破壞。 此外,該材料具有不同於其成分澱粉的良好耐水性,在水中浸潤後仍能維持良好的機械性質。

除了良好的機械性質外,當它在海水中浸潤一個月後,會產生許多孔洞,並有大量的細菌附著,說明了此材料也具備了良好的海洋生物分解性(圖 2)。[4, 5]

圖 2 分解時材料內部產生之孔洞,有利於分解的進展。
圖/大阪大學宇山浩教授提供

未來塑膠,取用自然,回歸自然

纖維素與澱粉皆為非常容易取得且價格低廉的天然材料,其中纖維素更能由稻稈等農業廢棄物取得,間接地促成了廢物再利用,也能夠減少燃燒農業廢棄物可能產生之溫室氣體,再加上材料製造過程簡單,可謂是從源頭、製成到產品皆對環境永續有極大貢獻之綠色材料。

目前,宇山浩教授的研究團隊正與企業合作,積極地開發該材料的工業化製程,以量產為目標邁進,期許在未來的某天,能夠取用於自然,再讓它回歸自然,不影響生物活動空間與生存權利,讓塑膠垃圾能不再是海洋生物或環境的生存殺手。

註解

  1. 使用化學物質 TEMPO 將纖維素的羫基氧化,氧化後,就能夠與澱粉的羫基反應,並產生鍵結的醛基。

參考資料

  1. 海洋生物分解性塑膠之標準化之推動
    https://www.meti.go.jp/press/2019/07/20190722003/20190722003.html
  2. PBS (三菱化工)
    https://www.m-chemical.co.jp/products/departments/mcc/sustainable/product/1200364_7166.html
  3. PHBH (鐘淵化工)
    https://www.kaneka.co.jp/business/material/nbd_001.html
  4. Soni, R., Asoh, T. A., & Uyama, H. (2020). Cellulose nanofiber reinforced starch membrane with high mechanical strength and durability in water. Carbohydrate Polymers, 116203.
  5. Soni, R., Asoh, T. A., Hsu, Y. I., Shimamura, M., & Uyama, H. (2020). Effect of starch retrogradation on wet strength and durability of cellulose nanofiber reinforced starch film. Polymer Degradation and Stability, 109165.

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