南科大孙大陟课题组《Compos. Sci. Technol.》: 人工培养殖硅藻壳促进聚乳酸快速降解
聚乳酸(PLA)被认为是一种有前景的、生态友好的传统石油基塑料替代品。然而，基于PLA的产品在自然环境中降解缓慢，通常超过2年以上。这就可能在PLA制品规模化使用后导致大量PLA堆积。
近期，南方科技大学孙大陟课题组利用人工培养的生物质硅藻(DFs)来调控PLA的降解行为，结果表明，掩埋在自然土壤中，其降解时间从24个月缩短至3个月甚至更短。结合实验数据和仿真分析结果，提出了新的降解机制，为高分子材料的快速、可调控降解提供了新途径。相关成果发表在《Composites Science and Technology》期刊上（Ultrafast Bulk Degradation of Polylactic Acid by Artificially Cultured Diatom Frustules, Compos. Sci. Technol. 2022, 223, 109410.）
硅藻壳是由海洋养殖硅藻去油去脂后提纯得到的多孔硅，与普通二氧化硅相比，DFs纯度高，抗压强度大，比表面积大，表面羟基数量多，可与PLA形成有效的氢键作用，提高界面相互作用力。
图1 硅藻壳的制备及PLA/DFs 复合材料的制备
研究表明，DFs改变了PLA的降解行为。在3个月的自然土壤中，纯PLA树脂通常经历surface erosion，降解速率很慢，力学性能和形貌几乎未发生本质变化。而PLA/DFs复合材料主要经历bulk erosion，在第四周之后，其力学性能迅速下降，内部结构也变成疏松多孔，且孔洞随着降解进行不断变大，直到材料发生内部出现缺陷，材料性能失效。
图2 PLA/DFs复合材料降解过程中力学性能变化和形貌变化
降解行为的改变主要是由于DFs的诱导效应。研究发现，在降解过程中，DFs周围不断生成了一些短微纤晶，这些纤维晶的生长造成了内部裂纹的发展。与宏观施加外应力造成裂纹扩展相似，这些微纤晶尖端的应力场很大，其裂纹强度因子远高于材料自身的断裂韧性KIC，因此，裂纹在DFs诱导下快速发展，相应的水分子会快速进入到裂纹尖端周围，相应的水解速率也大大提升。
图3 应力场与裂纹尖端强度因子分析
综上，实验数据和仿真分析结果都表明，DFs可以很好地调节PLA的降解行为。
论文第一作者为南科大-哈工大联合培养博士研究生李涛，通讯作者为南方科技大学孙大陟副教授。该研究得到了广东省重点实验室项目基金，深圳市兆凯生物实验室的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109410
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