在當今全球對環境保護日益重視的背景下，傳統石化塑料的不可降解性給環境帶來了沉重的負擔。據研究預測，到2025年將有110億噸塑料被直接棄至自然環境，而石化塑料由于具有較強的共價鍵，其自然降解性通常很差，不完全分解產物即微塑料在土壤中不斷積累，造成長期且嚴重的環境污染。因此，開發可生物降解的替代材料成為了科研人員的重要課題。來自東華大學和青島大學的研究人員在中國工程院院刊《Engineering》發表了題為“Large-Scale Preparation of Mechanically High-Performance and Biodegradable PLA/PHBV Melt-Blown Nonwovens with Nanofibers”（高機械性能可生物降解PLA/PHBV熔噴納米纖維材料的規模化制備）的研究論文為我們帶來了新的希望。東華大學劉高慧為第一作者，王先鋒研究員、丁彬教授為通訊作者。
文章報道了一種規模化制備高機械性能、可生物降解的PLA/PHBV [PLA：聚乳酸；PHBV：聚（3-羥基丁酸-co-3-羥基戊酸酯）]熔噴纖維材料的簡單方法。PLA作為一種可生物降解材料，因其良好的生物相容性和可再生性，在醫療、制藥、農業、包裝、服裝等領域得到了廣泛應用。然而，PLA熔噴纖維材料通常存在強度低、韌性差的缺點，這限制了其在一些高性能要求領域的應用。為了解決這一問題，研究人員在PLA中加入了少量的PHBV，通過實驗發現，這種添加可以提高材料的結晶速率和結晶度。 在實驗過程中，研究人員將PLA和PHBV在80℃的鼓風烘箱中烘干12小時以去除水分，然后分別將PHBV母粒以質量分數0、2.5%、5.0%和7.5%的比例與PLA母粒均勻混合，最后采用熔噴設備制造樣品。實驗結果顯示，當PHBV含量從0增加到7.5wt%時，PLA/PHBV熔噴纖維的直徑明顯減小，納米纖維的比例從7.7%增加到42.9%。
特別是當PHBV含量為5wt%時，所得PLA/PHBV熔噴纖維材料表現出較高的力學性能，其拉伸應力、伸長率和韌性分別達到2.5MPa、45%和1.0MJ/m³。這一結果表明，通過添加適量的PHBV可以顯著改善PLA熔噴纖維材料的力學性能，使其能夠滿足更多高性能應用的需求。 更令人振奮的是，這種PLA/PHBV熔噴纖維材料還具有良好的生物降解性。研究人員將PP（聚丙烯）、PLA和PLA/PHBV熔噴纖維材料裁剪成10 cm × 10 cm的大小，埋在10 cm深的土壤中，并添加了10%的高效微生物堆肥菌以加速生物降解。實驗觀察到，PLA和PLA/PHBV熔噴纖維材料在土壤中埋藏2個月后開始破裂，4個月后可以完全降解為二氧化碳和水，而PP熔噴纖維材料則沒有明顯變化。這表明，PLA/PHBV熔噴纖維材料在使用壽命結束后能夠自然降解，不會對環境造成長期污染，是一種環境友好的材料。
此外，研究人員還對PLA/PHBV熔噴纖維材料的拉伸過程進行了表征和分析，并提出了熔噴纖維材料的一般拉伸破壞模型。這一模型的建立為進一步提高非織造材料的力學性能提供了理論依據，有助于推動可生物降解材料在更多領域的應用和發展。 這項研究提供了一種規模化制備具有高強度和優異韌性特征的可生物降解PLA/PHBV熔噴纖維材料的新方法。通過在PLA中添加少量PHBV，不僅提高了材料的結晶速率和結晶度，改善了力學性能，還保持了良好的生物降解性。這種材料有望取代現有的PP熔噴纖維材料，在醫療、過濾、環保等領域具有廣闊的應用前景。隨著相關技術的不斷發展和完善，可生物降解材料將在環境保護和可持續發展方面發揮越來越重要的作用。
