《SCIENCE ADVANCES》：Coassembly of hybrid microscale biomatter for robust, water-processable, and sustainable bioplastics
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为解决传统塑料生产依赖不可再生资源、污染环境，以及生物质基塑料提取加工复杂等问题，研究人员开展了混合微尺度生物质共组装制备生物塑料的研究。他们利用废弃棉纤维和花粉颗粒，制备出 BH 生物塑料，其性能优异、可水加工、环保，为生物塑料发展提供新方向。
塑料在现代社会中应用广泛，从基础的包装材料到复杂的功能设备都有它的身影。然而，传统的化石燃料基塑料带来了诸多严峻问题。一方面，其生产过程高度依赖不可再生资源，全球每年生产超过 4.5 亿吨塑料，这使得能源消耗巨大，同时伴随着大量温室气体排放。另一方面，这类塑料的 recyclability（可回收性）极低，在环境中难以降解，长期存在造成了严重的环境污染。
生物质衍生的聚合物和单体被视为生产生物塑料的希望，可其提取和精炼过程却复杂且能源密集，还需要使用有毒化学物质。从生命周期的角度来看，部分生物塑料对环境的负面影响甚至超过了石化塑料，这就大大削弱了利用生物质资源的可持续性优势。在这样的背景下，开发一种更环保、高效的生物塑料制备方法迫在眉睫。
为了解决这些难题，研究人员开展了一项具有创新性的研究。他们提出了一种混合微尺度生物质共组装策略，利用废弃棉纤维和花粉颗粒的固有微观结构之间的相互作用来制备生物塑料。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。通过扫描电子显微镜（SEM）观察材料微观结构的变化，了解棉纤维和花粉颗粒在不同处理阶段的形态特征以及它们在共组装过程中的相互作用。利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析材料化学组成的变化，确定在处理过程中成分的改变以及在生物塑料中各成分之间的化学连接方式。借助动态力学分析（DMA）测试材料在不同温度和湿度条件下的力学性能，评估生物塑料的性能稳定性。
下面来详细看看研究结果：
- BH 生物塑料的制备：研究人员选取了棉花产业中大量废弃的棉纤维，其在生产过程中的剩余量占总收获量的 15 - 30% ，以往常被填埋或随意丢弃。还有养蜂业中产量丰富但价值被低估的花粉壳，每年全球储备超 3000 万吨，之前其外壳常被丢弃。通过简单预处理，将棉纤维均质化，用类似制皂的方法处理花粉壳，得到两种悬浮液，混合过滤后浇铸，蒸发水分即可得到 BH 生物塑料。该过程无需有毒化学物质，可大规模生产，产品具有良好的柔韧性和可折叠性。
- 棉纤维与花粉壳之间的结构和化学相互作用：对花粉进行脱脂和碱预处理后，其表面脂质和蛋白质被去除，花粉壳变为空心并膨胀，形成半固体微凝胶聚集状态。此时，花粉微凝胶与棉纤维混合能形成稳定的浆料。在水蒸发过程中，花粉微凝胶逐渐与棉纤维紧密结合，形成致密的纤维 - 层状结构。XRD 和 FTIR 分析表明，两种生物质成功混合，且存在氢键相互作用。
- BH 生物塑料的机械强度：纯纤维样品因物理缠结不足，机械稳定性差；纯花粉样品虽结构致密，但缺乏长程物理连接。而 BH 生物塑料结合两者优势，形成稳定的纤维 - 层状混合网络。其在 600nm 处透明度为 65.47%，雾度为 91.19% ，表面粗糙度为 7.94μm。当纤维含量为 30% 时，拉伸强度可达 52.22MPa，杨氏模量为 2.24GPa，性能优于许多常用的热塑性和可降解塑料。
- 水辅助成型和粘贴实现环保成型性：与传统塑料需高温加工不同，BH 生物塑料仅用水就能在 25°C 下通过浸泡、固定和干燥成型。在水的作用下，其结构网络会发生可逆的膨胀和部分分解，干燥后又能重新组装成固定形状。而且，BH 生物塑料还能通过水粘贴将两个单独的部分连接在一起，粘贴后的机械性能与原塑料相似。
- 多维和多功能应用：利用水辅助加工性，BH 生物塑料可设计成各种复杂形状。多次水成型循环后，其机械强度不减弱反而略有提高。通过水粘贴，能将扁平的生物塑料转化为复杂的 3D 形状，还能构建具有特殊功能的结构，如双稳态结构。该生物塑料在不同温度和湿度环境下性能稳定，在高湿度环境下仍有一定的机械强度。
- 环境影响、可回收性和生物降解性：生命周期评估（LCA）显示，BH 生物塑料在大多数环境影响类别中表现出色，其环境影响比其他生物基塑料低 1 - 5 倍，与传统化石燃料基塑料相比，接近其影响范围的下限。使用后，BH 生物塑料可轻松重塑和回收，在土壤环境中 6 个月可完全降解，而 PET 塑料和 PVC 泡沫则无明显降解。
研究结论和讨论部分指出，该研究提出的共组装策略为利用微尺度低价值生物质提供了新途径，制备的 BH 生物塑料具有可持续水加工性，能通过结构开合实现塑性和可逆的网络重排。其环保、机械强度高、多功能、易加工和可回收的特点，使其有望成为减少塑料污染、促进循环生物经济的可持续替代品。该研究还为高性能、低环境影响的生物产品设计和构建提供了新范式，可能适用于其他植物和动物纤维以及生物微粒的组合，拓展了可持续和环保功能生物产品的制造领域。这一成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为生物塑料领域的发展注入了新的活力，为解决塑料污染和推动可持续发展提供了重要的理论和实践依据。
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