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。最有前途的選擇之一是聚羥基丁酸酯（PHB），這是一種可生物降解的塑料，可在環境中自然分解並由微生物產生。雖然 PHB 提供了重要的環境效益，但其廣泛使用受到一個主要缺點的限制：它天然易碎，並且缺乏許多醫療包裝和產品所需的靈活性。新的研究表明，透過將 PHB 與棉纖維結合併進行仔細的化學設計，可以克服這一挑戰。這創造了一種更堅固、更耐用的可生物降解材料。
這項研究由新南威爾斯大學張進副教授團隊領導，成員包括何一林博士、Vinod Kumar Kannaujiya博士、博士生卓林廣澤，以及王春教授和Cyrille Boyer教授。該團隊與 Ecopha Biotech Pty. Ltd. 合作開發了一種新型複合材料。它是一種將增強PHB的不同成分與塗有聚乙烯醇的棉纖維混合而成的材料。俗稱PVA，是一種親水性塗料材料。張教授的團隊透過修改PHB來改進材料，使其能夠更有效地附著在纖維上。他們的研究結果發表在同行評審期刊《高級永續系統》。
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。 A. 張教授說：「這項研究透過用塗有聚乙烯醇（PVA）的棉纖維增強PHB並提高與馬來酸酐（MA）植入物的界面黏附力來提高PHB的強度和韌性。」韌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 則傾向於排斥水。這使得兩種材料很難很好地協同工作。透過塗覆纖維和修改 PHB，團隊在材料的不同部分之間建立了更牢固的連接。
我們注意到了一些改進。與純 PHB 相比，添加未經處理的棉纖維可提高強度和柔韌性，但使用塗層纖維時可獲得最大益處。從最大纖維含量測試來看，該材料的強度是傳統塑膠的近四倍。同時，它們在斷裂之前可以進一步拉伸。這結果尤其重要，因為材料在變得更強時往往會變得不那麼柔韌。在這種情況下，兩個屬性都會同時更新。改質材料在斷裂前還可以吸收更多的能量。使其更加耐用且不易損壞。
隨著 PHB 進入改造階段，額外的好處就會顯現出來。這種處理使塑膠能夠更好地與塗層和棉纖維結合。結果，材料的韌性大大增加。這是指其抵抗開裂和斷裂的能力。並且在應力作用下層間分離的抵抗力得到了很大的提高。 A. 張教授強調了這一成就，並指出「MA 植入物提高了耐用性（9 倍）和層間斷裂韌性（2 倍），同時將氦滲透率降低至 60%。」氦氣滲透性是指氣體穿過材料的難易程度。這些改進表明該材料不僅強度更高，而且強度更高。而且還開發了更好的保護性能。這對包裝應用有很高的要求。
顯微鏡檢查以肉眼無法看到的小尺度捕捉細節這有助於解釋為什麼這種材料效果如此出色。在未經額外改質的複合材料中，纖維往往會脫離周圍的塑膠。當材料破裂時，這表示兩者之間的聯繫比較弱。透過比較，改質複合材料顯示出纖維和塑膠之間更強的黏合力。分離跡象更少 進一步的測試證實，這些變化成功地改進了材料，同時保持了整體穩定性。改質塑膠也與塗層纖維更相容。幫助您更有效率地協同工作。
除了強度和耐用性之外，該團隊還檢查了該材料阻擋氣體的能力。這項特性對於食品和藥品包裝尤其重要。純 PHB 可實現最高水準的氣體流動性。當添加棉纖維和塗層時，氣體運動大大減少。塗層棉纖維和改質 PHB 的組合給出了最好的結果。與傳統塑膠相比，它減少了大約百分之四十的氣體流動。這些改進可以幫助產品更長時間地保持新鮮，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從脆性可生物降解塑膠轉變為強度、耐用性、柔韌性和阻隔性能大大提高的材料。這些進步解決了許多阻礙 PHB 和相關生物降解塑膠廣泛採用的限制。透過在保持永續性的同時提高效率，張教授和他的團隊的新方法可以支持未來的包裝應用。醫療保健產品和其他用途越來越多的人正在尋找化石燃料塑膠的替代品。
期刊參考文獻
He Y.，Kannaujiya VK，Zhuo L.，Ling W.，Wang CH，Boyer C.，Zhang J.“聚合物機械性能的優化。聚羥基丁酸酯（PHB）是脆性的，可通過棉纖維增強和皮間接枝進行生物利用和生物降解。”先進的可持續系統，2025； 9：e00294。土井： https://doi.org/10.1002/adsu.202500294
