吉林大学孙俊奇教授团队 ACS Mater. Lett.：可在土壤中降解、海水中快速分解的高强度、耐水性超分子塑料
传统塑料由于难降解，引发了严重的环境污染。据估计，到2050年，全球塑料垃圾累积量将高达120亿吨。海洋塑料污染更是触目惊心，已经严重干扰了海洋生物的生命活动，并对人类健康产生重大威胁。尽管已有多种可降解塑料被成功开发并应用，但它们在海水中依然能长期稳定存在。聚乙烯醇（PVA）具有价廉和无毒等优点，非常适合于制备可降解塑料。然而，PVA的水溶性使PVA基塑料无法在高湿度环境中使用。虽然在PVA主链修饰疏水基团可显著提高PVA基塑料的耐水性，但该类塑料在土壤中的降解也会变的困难，且在海水中不分解。
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通过在PVA塑料内部构筑氢键交联的刚性纳米疏水相区，制备了具有高力学强度、可在土壤中降解、在海水中分解的环境友好型可降解塑料。纳米疏水相区可作为填料有效提高了塑料的力学强度及耐水性。同时，基于氢键交联的疏水相区的动态可逆性使得塑料具备重塑、在土壤中降解及在海水中分解的能力。
图1. PVA-CBA塑料制品的制备过程及结构示意图。
具体地，将疏水的甲酰基苯甲酸（CBA）接枝到聚乙烯醇（PVA）上，经溶液加工即可制备薄膜及各种形状的PVA-CBA超分子塑料。在干燥状态下和~100% 相对湿度的环境中，接枝度为30%的PVA-CBA塑料的屈服强度分别高达~84.0 MPa和~58 MPa。即使在水中浸泡10天后，该PVA-CBA塑料的强度仍能保持在~40 MPa，这一强度高于常用的高密度聚乙烯塑料的断裂强度，说明了PVA-CBA塑料在高湿环境中仍可正常使用。得益于塑料内部氢键的动态性，PVA-CBA塑料具有优异的可循环利用性。基于热压的方法，PVA-CBA塑料可以被多次重塑，重塑后的塑料具有与初始塑料相当的力学性能。PVA-CBA塑料优异的可循环利用性对减少塑料消耗具有重要意义。
图2. (a) PVA-CBA塑料的拉伸曲线；(b) 湿态PVA-CBA塑料的承载能力；(c) 湿态PVA-CBA塑料的拉伸曲线；(d) 多次重塑后的PVA-CBA塑料的拉伸曲线。
PVA-CBA塑料膜具有在土壤中快速降解的能力。厚度为~50 μm的塑料膜在埋入土壤中约70天后会完全降解。在土壤中，塑料会逐渐吸收水分，内部的氢键作用会被破坏，导致塑料膜发生溶胀、变软，使得塑料膜分解为细小的碎片并分散溶解于土壤中；最终，PVA链段在土壤中微生物及酶的作用下，降解为环境友好的二氧化碳、水及对醛基苯甲酸衍生物等无毒物质。值得一提的是，由于塑料中氢键具有pH响应性，PVA-CBA塑料的降解会在偏碱性土壤中大大加快。
图3. PVA-CBA塑料在土壤中的降解性能及在海水中的分解性能。
PVA-CBA塑料在海水（微碱性，pH约8.0-8.5）中可以快速的分解为高度溶胀、柔软的凝胶碎片，该碎片可在淡水中完全溶解。重要的是，细胞实验和动物喂养实验表明该类凝胶碎片无毒无害。PVA-CBA塑料在海水中的快速分解，可有效避免海洋动物因误食塑料或被塑料缠绕引起的死亡。对照实验表明，不含有氢键的疏水微相区虽然能增强PVA塑料的耐水性，但这样的PVA塑料降解过于缓慢，且在海水中无法分解，进一步证明氢键交联的疏水微相区是制备可在土壤中降解、在海水中快速分解和耐水的可降解塑料。作者认为，动态纳米疏水相区这一策略将为其它具有优异力学性能、可循环利用和可降的聚合物材料的制备提供新的设计思路。
该工作以“Degradable, Recyclable, Water-Resistant, and Eco-Friendly Poly(vinyl alcohol)-Based Supramolecular Plastics”为题发表在《ACS Materials Letters》上（DOI: 10.1021/acsmaterialslett.2c00283）。论文第一作者为吉林大学博士后房旭，通讯作者为吉林大学孙俊奇教授。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.2c00283
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