吉林大学孙俊奇教授课题组AM：水环境中具有高强度的可降解聚乙烯醇基超分子塑料

点击上方“蓝字” 一键订阅

传统塑料由于其难降解的问题已在全球范围内引发了严重的环境污染。据估计，到2030年，不可降解塑料的年排放量将达到5300万吨。因此，开发可降解塑料来代替传统的不可降解塑料是解决塑料垃圾堆积及环境污染问题的有效方法。聚乙烯醇（PVA）生产成本低、无毒无害、同时具有高的强度及良好的柔韧性。PVA既可以在土壤中分散，又可被土壤中的微生物及酶降解，非常适合于制备可降解塑料。然而，由于PVA可在水中溶解，目前报道的大多数PVA基塑料的耐水性较差，无法在高湿的环境中正常使用。虽然在PVA主链接枝高密度疏水基团可以显著提高PVA基塑料的耐水性，如商业化的聚乙烯醇缩甲醛（PVF）和聚乙烯醇缩丁醛（PVB）塑料。但是，PVF和PVB自身较高的缩醛化程度（≥70%）使它们在土壤中的降解十分困难。因此，制备同时具有良好耐水性及可降解性能的PVA基塑料对于丰富可降解塑料的品种，缓解塑料造成的环境污染具有重要意义。

为解决上述问题，吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室孙俊奇教授课题组将香草醛接枝的PVA（VPVA）与少量的腐植酸（HA）和Fe³⁺进行复合，并经溶液加工制备了水环境中具有高强度的可降解PVA基超分子塑料（VPVA-HA-Fe）。VPVA-HA-Fe塑料在相对湿度（RH）为~30%的干燥状态下表现出优异的力学性能，其屈服强度、断裂强度及杨氏模量分别高达~120.1 MPa、~85.0 MPa及~4.7 GPa。在~75% RH和~100% RH的高湿的环境中放置7天后，VPVA-HA-Fe塑料的断裂强度仍然分别高达~50.5 MPa及~44.8 MPa。这些数值明显高于常用的聚乙烯塑料（PE）在干燥状态下的断裂强度（一般在~15 MPa到~30 MPa之间），说明了VPVA-HA-Fe塑料在高湿的环境中仍具有使用性。VPVA-HA-Fe塑料优异的力学性能及良好的耐水性源于VPVA链段之间和VPVA链段与HA之间的氢键、Fe³⁺与VPVA链段、HA之间的配位键、以及原位形成的Fe³⁺交联的HA纳米粒子的增强作用。氢键和配位相互作用的动态性还赋予了VPVA-HA-Fe塑料优异的再加工性和可循环利用性。通过热压的方式可以方便地制备出各种形状的塑料产品，如塑料袋。干燥的塑料袋可以轻松地提起3 kg的重物，吸水饱和后，该塑料袋仍然可以承载2 kg的重物而不发生损伤。基于相同的热压方法，破碎的VPVA-HA-Fe塑料还可以被多次重塑成完整的材料。VPVA-HA-Fe塑料优异的再加工性及可循环利用性对减少塑料消耗具有重要意义。
图1. VPVA-HA-Fe塑料的制备过程及结构示意图。
图2. a,b) VPVA-HA-Fe塑料在干燥环境（30% RH）、高湿度环境（75% RH、100% RH）的力学性能。c,d) 干燥和高湿环境下，VPVA-HA-Fe塑料袋均可承受重物。
厚度为~100 μm的VPVA-HA-Fe塑料膜在埋入土壤中约108天后会完全降解。在土壤中，VPVA-HA-Fe塑料膜会逐渐从土壤中吸收水分，内部的氢键和配位作用会被部分破坏，导致塑料膜的膨胀、变软。土壤中含有的Fe³⁺、Ca²⁺、Al³⁺等金属离子可以作为Lewis酸催化VPVA链与香草醛之间的缩醛键水解。PVA链段在土壤中的微生物及酶的作用下发生降解，VPVA-HA-Fe塑料膜最终被降解成无毒无害的物质。制备VPVA-HA-Fe基塑料的原材料具有容易获得、价格低廉及无毒无害的优点，且其制备方法简单、容易大量生产。因此，作者相信该工作为开发高性能的可降解塑料提供了新的思路。
图3. VPVA-HA-Fe塑料在土壤中的降解性能。
这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的通讯作者是吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室的孙俊奇教授，论文的第一作者是该实验室的李懿轩博士。相关研究工作得到了国家自然科学基金重点项目的支持（21935004）。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202007371

来源：X-MOL资讯

相关进展

免责声明：部分资料来源于网络，转载的目的在于传递更多信息及分享，并不意味着赞同其观点或证实其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时修改或删除。邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多