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竹纤维+甘蔗渣!造就完美一次性可降解餐具

2020-12-24 作者: 浏览次数:948

一次性餐具给人们的生活带来了便利,尤其是随着外卖行业的发展,人们消费一次性餐具的数量激增。我国的网络外卖平台以某团、某饿为主,有环保组织对其消耗的一次性餐具量进行了统计,发现平均每单外卖会消耗3.27个一次性塑料餐具,那么这些平台每天将消耗近8000万个,这还不包括其他平台和传统餐饮门店的消耗量。从世界范围来看,全球每年消耗约160亿个一次性咖啡杯,每天丢弃10亿根塑料吸管,如此巨大的消耗量使得每年约有800万吨的塑料废物流入海洋,这些塑料垃圾保守估计也需要450年才能降解。

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竹纤维和甘蔗渣编织成一次性餐具

图1. (A)来自于石油的一次性餐具制造示意图;(B)使用甘蔗渣和竹纤维生产可生物降解的餐具示意图。

美国东北大学祝红丽课题组将短的甘蔗渣纤维与长的竹纤维进行混纺,两种纤维物理缠绕形成高度交织的网状结构,随后通过冷压成型和热压干燥工艺制备出了一次性餐具,完全可以替代塑料和传统纸质餐具。

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60天就能降解一半

图2.(A-B)不同放大倍数下混合纤维的光学显微图像;(C-F)不同放大倍数下餐具表面的SEM图像;(G)与塑料餐具(H)相比,混合纤维餐具的生物降解性能。

通过电镜,研究者发现经过热压纤维中的木质素熔融以及纤维素之间的氢键作用使得纤维之间紧密结合在一起,形成3D网络,提高了产品的耐水性和强度。

为了研究餐具的生物降解性,研究者将它们埋在土壤中,定期检查形态和重量的变化。发现埋入20天后,餐具表面出现黄色真菌,30-45天后开始变形,60天后完全失去形状并逐渐消失。而且杯子在放置60天后的重量从7.99 g降低到4.18 g,几乎降解了一半。相反,作为对比的聚苯乙烯(PS)塑料餐具埋入60天后其外观和形状没有任何变化。

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Pb含量只有标准的1/8

图3. 混合纤维餐具的重金属含量和耐水,耐油性性研究。(A)餐具中重金属含量对比;(B-C)餐具的耐油性;(D-E)餐具的接触角和吸水率。

既然作为餐具来用,首先就要保证其安全性,尤其是重金属,如Pb和As含量不能超标。根据欧洲食品接触材料法规(EC)第1935/2004号和中国食品安全标准(食品接触纸和纸板材料及其制品)GB 4806.8-2016,23,24的规定Pb和As的含量应分别低于3.0 mg/kg和1.0 mg/kg。研究者采用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)对混合纤维餐具中的Pb、As含量进行分析,发现Pb含量为0.3633 mg/kg,只有标准值的1/8,未检测到As的存在。

作为餐具来说,耐油性和耐水性也非常关键。混合纤维餐具对水的接触角达到127°,二次纤维成型纸浆SFMP和滤纸对水的接触角为0°,商用蔗渣餐具为93°,混合纤维材质表现出的疏水性。不仅如此,混合纤维餐具的吸水性只有59.4%,而市售蔗渣餐具为77.5%,滤纸149.2%,SFMP更是达到310%,如此低的吸水性是由于混合纤维高的疏水性和致密结构造成的。

为了评价餐具耐油性,研究者根据纸浆和造纸工业技术协会(TAPPI)559 pm-96的标准进行了分析,发现混合纤维餐具的耐油脂性为6级,远高于SFMP(1级),商用蔗渣餐具(4级)和滤纸(1级),表现出优异的耐油性能。

图4.混合纤维餐具机械性能研究。

研究者对比了混合纤维与PS餐具的机械性能,发现抗张强度为35.0 MPa,比PS塑料杯(15.6 MPa)高至少2倍,杨氏模量为3.25 GPa,远高于PS塑料杯的1.40 GPa。一个7.9克的混合纤维纸杯可以承受3千克的重量而依然能保持形状不变,这个载荷足足是其自身重量的380倍。

二氧化碳排放量比塑料低97%

研究者对混合纤维餐具生产过程中排放的二氧化碳量进行了估算。据报道,生产1公斤发泡PS塑料的二氧化碳排放量为7.36公斤;根据欧洲纸箱纸板制造商协会(Pro-Carton)的统计,生产1公斤模压纸浆产品的排放量为0.22公斤。因此,模压混合纤维餐具的CO2排放比PS餐具低97%,比传一次性纸质和PLA塑料餐具还低65%。

成本接近PS餐具

材料除了性能好,还得便宜才是王道。通过对比Plastics Insight-Market Intelligence网站的统计数据,研究者发现混合纤维餐具的成本为2,333美元/吨,只有PLA的一半(4,750美元/吨),与PS餐具接近(2,177美元/吨)。

结语:一种几乎没有缺点的混合纤维餐具

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图5. 混合纤维餐具与其它材质餐具的优势对比。

为了解决日益严重的“白色污染”问题,美国东北大学祝红丽课题组将竹纤维和甘蔗渣纤维进行混纺→冷压→热压处理,制备出一种可以快速降解的餐具,只需要60天就能降解48%;餐具中的Pb含量为0.3633 mg/kg,仅为标准的1/8;具有优异的耐水和耐油性;抗张强度为35.0 MPa,杨氏模量为3.25 GPa,远高于PS塑料杯;生产1公斤产品CO2排放量为0.22公斤,比PS餐具低97%,成本仅为2,333美元/吨,与PS餐具接近(2,177美元/吨)。从安全性、气味、CO2排放、成本、生物降解、丰度和可加工性七个方面进行对比分析,不难看出与其它材料相比,这种混合纤维材料制成的餐具在各个方面都堪称完美,如果实现量产,全世界“白色污染”难题的解决就指日可待了。


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