賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種廉價的生物材料，可以用在包裝和替代塑料包裝的可再生隔離涂層。而且賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員開發(fā)出來了該材料的許多其他應(yīng)用途徑，他們預(yù)測采用這種新型材料會顯著降低污染。

完全可降解的多聚糖電解質(zhì)復(fù)合材料是由幾乎等量的木材、棉花、殼聚糖等處理過的纖維素漿和殼聚糖組成。殼聚糖來源于甲殼素，它是節(jié)肢動物和甲殼類外骨骼的主要成分。甲殼素主要來源于龍蝦、螃蟹和人們食用蝦后剩下的殘余殼。

農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物工程的教授兼首席研究員Jeffrey Catchmark說這些環(huán)保的隔離涂層應(yīng)用范圍廣泛，從防水紙張到天花板瓷磚和墻板的涂料，再到用來保鮮的食品涂料。

他說:“這種材料出人意料的強大，它不可溶的粘合性對產(chǎn)品包裝和其他應(yīng)用都是有用的，比如可以做成性能更好、完全天然的木質(zhì)纖維復(fù)合材料，甚至還可以用在地板上。”這種技術(shù)有可能會被用在食品中，以減少食物在煎炸過程中對油脂的攝取并能保持脆性。因為這種涂層本質(zhì)上就是以纖維為基礎(chǔ)的，所以它也是一種增加膳食纖維的方法。

他解釋道羧甲基纖維素和殼聚糖之間令人驚嘆的堅固持久的粘合是這種材料的性能關(guān)鍵。這兩種非常便宜的多聚糖(已經(jīng)開始在食品產(chǎn)業(yè)和其他工業(yè)部門使用)中有著不同種類并粘在一起的分子電荷，這為復(fù)合物制造不透水膜、涂層、粘合劑等奠定了基礎(chǔ)。

Catchmark認(rèn)為如果這些阻隔性能良好的涂層能夠取代美國每年用于食品包裝的數(shù)百萬噸石油塑料，那么這種材料對于降低污染的作用巨大。

Catchmark指出全球塑料產(chǎn)量每年接近3億噸。在最近的一年里，有超過2900萬噸的塑料成為了美國城市的生活垃圾，并且其中幾乎有一半是塑料包裝。預(yù)計全球10%的塑料制品將成為海洋垃圾，這意味著會對生態(tài)和人類健康造成重大威脅。

最近在《綠色化學(xué)》刊登的一篇研究成果表明多聚糖電解質(zhì)復(fù)合涂層的性能表現(xiàn)良好。用羧甲基纖維素和殼聚糖的納米結(jié)構(gòu)纖維顆粒組成的紙板具有很強的油水阻隔性能。該涂層還可抵抗甲苯、正庚烷和鹽溶液，還能提升在干燥和潮濕環(huán)境下的機械性能以及對水蒸汽的阻隔性能。

Catchmark與賓夕法尼亞州立協(xié)會合作申請了一項涂料專利，并說到“這些結(jié)果表明在很多商業(yè)用途中，多聚糖電解質(zhì)復(fù)合材料可能會成為合成聚合物隔離材料的競爭對手”。

“此外，這項研究表明在發(fā)生靜電絡(luò)合的多聚糖系統(tǒng)中出現(xiàn)了一些意想不到的新特性，這使得新型材料的高性能應(yīng)用成為現(xiàn)實。”

Catchmark開始嘗試用生物材料來代替忽視了十幾年的可降解塑料產(chǎn)品。他對木材中的主要成分——纖維素感興趣，因為它是地球上規(guī)模最大的可再生材料。Catchmark研究了其材料自身結(jié)構(gòu)在納米級別上的組合方式。

他相信可以開發(fā)出性能更強大并更能改善其性能的天然材料，這樣他們就能與不可持續(xù)并制造污染的合成材料一起競爭了，例如應(yīng)用在紙板的低密度聚乙烯層壓板，以及用于杯子和瓶子中的聚苯乙烯泡沫塑料和固體塑料。

Catchmark解釋說：“這項挑戰(zhàn)在于，要得到這種材料就必須找到一種可操作的方式來生產(chǎn)，而且生產(chǎn)成本必須比塑料要便宜。因為當(dāng)你嘗試把現(xiàn)有的產(chǎn)品轉(zhuǎn)變成更綠色環(huán)保更可持續(xù)的產(chǎn)品時，你就要為這個改變買單。”因此，要想讓企業(yè)從中獲益，就必須降低成本。這就又是一個隨之而來的問題，這個問題必須通過更低的生產(chǎn)成本來解決。

這筆基金是靠農(nóng)業(yè)科學(xué)院申請研究項目的創(chuàng)新補助獲得的，Catchmark為了獲得各類產(chǎn)品，目前正努力開發(fā)不同行業(yè)領(lǐng)域的商業(yè)合作伙伴。

他說:“我們正嘗試采取最后的措施來對世界產(chǎn)生真正的影響，讓業(yè)內(nèi)人員不再使用塑料，而去更多的使用這些新型天然材料。因此，他們(消費者)可以選擇使用了這類生物材料之后，再回收利用，還可以埋在地下或用來當(dāng)化肥，然后它們就會逐漸降解。或者他們還可以把人們?nèi)拥胶Ｑ笾械乃芰夏脕砝^續(xù)使用，因為這些塑料在海里持續(xù)數(shù)千年也不會降解。”

同樣參與這項研究的還有博士后學(xué)者Snehasish Basu和研究生兼賓夕法尼亞州立大學(xué)阿爾分校的工程學(xué)講師Adam Plucinski。賓夕法尼亞州立大學(xué)材料研究所的工作人員為這個項目提供了幫助。