棉纖維幫助可生物降解塑膠完成其無法完成的任務

人們對塑膠廢物的日益關注促使人們越來越多地尋找傳統塑膠的環保替代品。其中最有前途的選擇是聚羥基丁酸酯（PHB），這是一種可生物降解的塑料，可以在環境中自然分解，由微生物產生。雖然 PHB 具有顯著的環境效益，但其廣泛使用受到一個主要障礙的限制：它本質上很脆，並且缺乏許多包裝和醫療產品所需的靈活性。新的研究表明了一種克服這一挑戰的方法，將 PHB 與棉纖維結合併精心設計化學改性，創造出更堅固、更永續的可生物降解材料。

該研究由新南威爾斯大學張進副教授團隊領導，包括 Drs. Yilin He、Vinod Kumar Kannaujiya 博士、卓林光澤博士生，與 Chun Wang 教授和 Cyrille Boyer 教授合作。該團隊與Ecopha Biotech Pty. Ltd.合作開發了一種新型複合材料，這種材料是由不同成分組合而成，用塗有聚乙烯醇（俗稱PVA）的棉纖維增強PHB，這是一種親水性塗層材料。張教授團隊透過對PHB進行改性，使其能夠更有效地與纖維粘合。他們的研究結果發表在同行評審期刊《先進永續系統》上。

在先前改進可生物降解塑膠的基礎上，張教授專注於解決一個長期存在的問題：幫助天然纖維和 PHB 更有效地粘合在一起。張教授指出：「這項研究透過用塗有聚乙烯醇（PVA）的棉纖維增強PHB的強度和延展性，並透過馬來酸酐（MA）接枝進一步改善界面結合。延展性是指材料彎曲或拉伸而不斷裂的能力。棉纖維天然吸水，而PHB物種傾向於排斥水，這使得兩種組合更堅固地對組合的工作進行很好地改性。

已經注意到一些改進。與純 PHB 相比，添加未經處理的棉纖維已經提高了強度和柔韌性。然而，當使用塗層纖維時，可以獲得最大的好處。在測試的最高纖維含量下，該材料的強度幾乎是原始塑膠的四倍，同時在斷裂前也能拉伸得更遠。這結果尤其重要，因為材料通常會隨著強度的增強而變得不那麼柔韌。在這種情況下，兩種品質同時得到提升。改質材料還可以在斷裂前吸收更多的能量，使其更堅固、更耐損壞。

當 PHB 進行額外的修改步驟時，進一步的好處顯現出來。這種處理有助於塑膠與服裝和棉纖維形成更牢固的結合。結果，該材料的韌性顯著增加，這意味著它具有抵抗開裂和斷裂的能力，並且在應力下具有更好的抵抗層分裂的能力。張教授強調了這一成就，並指出「MA接枝進一步提高了韌性（提高九倍）和層間斷裂韌性（提高兩倍），同時將氦氣滲透率降低至60%。氦擴散是指氣體穿過材料的難易程度。這些改進表明材料不僅變得更強，而且還具有更好的保護性能，這對於應用來說是非常理想的包裝」。

顯微鏡檢查以及尺寸太小而無法用肉眼看到的詳細圖像有助於解釋為什麼這種材料效果如此良好。在未經額外改性的複合材料中，當材料破裂時，纖維通常會脫離周圍的塑料，這表明兩者之間的結合相對較弱。相比之下，改性複合材料在纖維和塑膠之間表現出更強的結合力，分離跡象更少。額外的測試證實這些變化成功地改進了材料，同時保持了其整體穩定性。改性塑膠也變得與塗層纖維更加相容，使它們能夠更有效地協同工作。

除了強度和耐用性之外，團隊還研究了這種材料捕獲氣體的能力。這項特性對於食品和醫療包裝尤其重要。純 PHB 允許最高水平的氣體運動。當添加棉纖維和襯裡時，氣體流動顯著減少。塗層棉纖維和改質 PHB 的組合產生了最佳效果，與原始塑膠相比，氣體移動減少了約 40%。這些改進可以幫助產品保持更長時間的新鮮度，同時仍受益於環保包裝。

張教授的研究結果表明，將天然棉纖維與精心設計的改質相結合，可以將 PHB 從一種脆性可生物降解塑膠轉變為強度、耐用性、靈活性和防護性能大大提高的材料。這些進步解決了一些阻礙 PHB 和生物降解塑膠廣泛採用的限制。張教授和她的團隊的新方法在提高性能的同時保持穩定性，可以支持未來在包裝、醫療保健產品和許多其他需要化石燃料塑膠替代品的應用中的使用。

期刊參考文獻

He Y.，Kannaujiya VK，Zhuo L.，Ling W.，Wang CH，Boyer C.，Zhang J.「透過棉纖維增強和界面改善固有脆性、生物基和可生物降解的聚羥基丁酸酯（PHB）聚合物的機械性能」。先進的永續系統，2025 年；9：e00294。 DOI：https://doi.org/10.1002/adsu.202500294