一次性塑料吸管的替代研究

李新玥，牟行翠

(1 西安工程大學前沿技術融合辦公室，陜西 西安 710048；2 浙江工業大學廣東研究院，廣東 東莞 523000)

隨著工業經濟的不斷發展和社會需求的迅速增加，塑料已成為在工業、農業、國防建設和現代生活中不可或缺的物質元素。塑料制品在為人們帶來諸多生活便利的同時，由廢棄塑料造成的環境污染也已成為人類社會可持續發展面臨的最主要環境問題之一[1-3]。

據文獻報道，人類已經生產出約83億噸塑料制品，其中有63億噸被廢棄，而這些廢棄塑料中有12%被焚燒處理，9%被回收利用，79%則在垃圾填埋場簡單填埋或在自然環境中不斷積累[4-7]。即使這樣，一次性塑料制品的生產步伐并沒有放緩，據測算按照目前的趨勢，截止到2050年，全球將有大約120億噸塑料垃圾，這將嚴重威脅地球生態環境和人類健康[8]。目前我國每年大約生產3萬多噸一次性塑料吸管，每人每年平均使用量超過30根。這種一次性塑料吸管使用量巨大，使用時間僅幾分鐘到數十分鐘，但降解時間卻超過500年。在漫長的降解過程中，這些塑料在各種物理、化學以及環境等作用下通過不同方式分解成各種形式的微塑料，這些微塑料無法降解，而且由于尺寸極小，可能存在于自然界的各個角落。這些微塑料不僅影響自然環境，而且會通過食物鏈進行傳遞，最終進入人體，危害人類的身體健康[9]。所以我國在2021年頒布了史上最嚴禁塑令，要求全國餐飲行業禁止使用不可降解一次性塑料吸管。

研究人員曾經試圖用玻璃吸管、不銹鋼吸管以及硅膠吸管等來代替塑料吸管[10-11]，其中玻璃吸管具有耐腐蝕耐高溫的特點，但存在能源消耗大、帶來安全隱患等缺點；不銹鋼吸管可以重復使用，但存在衛生及安全隱患；硅膠吸管存在性質不穩定等缺點。由于各種因素的影響，這些吸管也只是停留在小范圍試驗階段，并沒有推廣使用。生物可降解吸管在生物作用下容易發生降解，降解周期短，大部分生物降解吸管最終被完全分解成水、二氧化碳、氮氣等物質，不會像普通塑料那樣長期以垃圾的形態留存在自然界，從根本上解決了塑料帶來的環境污染問題。所以，找到真正可以代替塑料吸管的可降解吸管是人們研究的熱點。

1 生物降解機理

按照不同的降解方式進行分類，可將可降解塑料分為生物降解型、光降解型、光-生物降解型和水降解型四大類。但光降解、光-生物降解塑料由于受到技術、成本等因素的限制，導致產品類型較少，所以常見的可降解塑料主要為生物降解塑料[12-13]。

生物降解是指在自然條件或堆肥條件下，自然界存在的微生物將聚合物材料完全分解為水、二氧化碳和其他生物質的過程，這一過程由于不添加任何額外的化學試劑所以不產生對自然界以及人類有毒有害的物質[14-15]。生物降解的過程從作用方式可分為3個步驟，一是微生物吸附在材料上，通過其生長和代謝對材料產生一定的物理降解作用，使材料在宏觀上產生斷裂或裂紋等；二是微生物代謝產生的酶作用于高分子材料，使材料高分子鏈發生水解和酶解，降解為可溶性小分子；三是這種可溶性小分子被微生物吸收，并完全分解為水、二氧化碳和其他生物質，最終被排出體外。至此，一個生物降解過程結束。

生物降解是一個較為復雜的過程，其降解的程度和速率受較多因素影響，主要包括降解所發生的溫度、濕度、pH值、氧濃度、微生物種類以及微生物濃度等環境因素和材料分子量、氫鍵、基團、空間結構和晶體結構等結構因素[16-18]。當環境中的水份、溫度、濕度及pH值適宜微生物生長時，材料極其容易發生生物降解。同時能否發生有效的降解受微生物的種類影響，例如脂肪-芳香共聚酯降解微生物、脂肪族降解微生物、聚酯降解微生物等可對特定的高分子材料進行高效降解。

材料的結構性能是決定其生物降解優劣的根本因素。當高分子材料主鏈結構中的不穩定鍵發生水解時，材料會變成水溶性小分子，當側鏈結構中不穩定鍵水解時，材料會變成水溶性聚合物，當不穩定交聯鍵發生水解時，高分子材料會變成可溶性線性高分子，這極大促進了生物降解的發生[19]。同時高分子的親水性基團越多、分子中易水解的鍵越多，越容易生物降解；高分子中含有的氫鍵越多、交聯度越高、側鏈越多、晶體結構越規整，材料越不易發生生物降解[11]。

2 可降解吸管的研究進展

2.1 可食用吸管

可食用吸管即在使用完后可以直接食用的吸管。這種吸管即使沒有被吃下，也會在自然環境中較快地被生物降解，不會造成環境污染。目前已經報道的可食用吸管有韓國研制的大米和木薯粉吸管、美國研制的意大利面吸管和海藻吸管等，這些吸管由于多種因素限制目前仍處于小范圍的試用階段[20]。

俞書宏教授團隊，研制出具有優異性能的可食用細菌纖維素基吸管[21-23]。該團隊首先通過生物合成技術將細菌纖維素壓制成薄膜，然后在薄膜表面接枝一層較薄的海藻酸鈉。海藻酸鈉作為一種可食用的天然多糖聚合物，能穿透孔隙進入細菌纖維素薄膜的三維納米纖維網絡中并與之形成大量的氫鍵，從而產生較強的相互作用力。然后將這種接枝了海藻酸鈉的薄膜卷制成管，浸入到乳酸鈣溶液中進行交聯。最后，經過洗滌和干燥，制備出可食用和可生物降解的細菌纖維素基吸管。該團隊還通過在細菌纖維素的三維納米纖維網絡中負載可食用色素或天然植物提取物的方法，制備出不同顏色和不同口味的吸管。這種可食用的細菌纖維素基吸管與一次性塑料吸管和紙吸管相比，在成本、強力以及使用者的體驗感都有明顯的優勢，而且當埋入土壤后，在自然環境中45天后完全消失，與傳統生物降解相比大大縮短了降解周期，所以這種吸管在快速生物降解方面有絕對優勢。

可食用吸管在制作過程中不使用任何化學有害物質，降解周期短，可以滿足環境保護的要求。但同時也存在一些問題，比如，防腐性能差，保質期較短，在儲存及運輸中都需要更高的儲存條件。且不耐高溫，長時間的高溫濕熱環境使其性能迅速下降，對使用造成不便。而且部分人對其是否真的可食用，食用后是否會造成不良影響持懷疑態度，所以可食用吸管也不能代替塑料吸管。

2.2 紙質吸管

自塑料吸管被限制使用以來，大部分商家首選用紙質吸管來代替。紙吸管具有易加工、形狀多樣、外觀吸引人等優點，但紙吸管在使用中最大的問題在于，使用一段時間之后就會變軟，從而無法正常使用甚至影響食用口感。即使這樣，出于環保考慮，仍然有關于紙質吸管的研究，部分商家也在提供。

徐永建等用漂白硫酸鹽針葉木漿和闊葉木漿為原料，制備出了紙吸管原紙。研究了漂白硫酸鹽針葉木漿和闊葉木漿的配比、施膠劑用量以及濕強劑等因素對原紙性能指標的影響，得到最佳的紙吸管原紙制備工藝，并對紙吸管原紙的使用安全性進行評價[24]。他們還在以上原紙的基礎上，利用濕法成形的方法，經過表面施膠和涂布耐熱膠黏劑等過程制備出耐熱型吸管紙[25]。通過挺度、環壓強度、濕抗張強度及接觸角等指標的測試對吸管紙性能進行全面評價，對比研究了耐熱膠黏劑和普通膠黏劑對紙吸管性能及使用安全性的影響。結果表明這種吸管滿足耐熱型紙吸管的使用性能及安全性能要求[16]。

紙吸管是目前市場上最常見的一類可降解吸管，降解時間一般為3～4個月，符合環境友好型理念。但同時存在強度低特別是濕強度低、耐熱性差等缺點。通常受所用原料的影響，紙吸管會攜帶輕微異味，這給使用者帶來不好的體驗感。所以現有的研究也主要集中在改善紙吸管用原紙的性能從而提高其強度和耐熱性上，但是紙吸管的強度和耐熱性不僅受原紙的性能影響，還與紙吸管的生產工藝密切相關[19]。因此，可以從優化紙吸管的生產工藝著手，以期改善其強度及耐熱性等。

2.3 生物降解吸管

生物質可降解材料的原料一般來自于自然界植物或微生物，如纖維素、淀粉、乳酸等可再生資源，這些物質通常通過生物發酵或人工合成而來，與生物化學反應相比節省了能耗，而且過程中不會產生廢氣、廢液等，生產工藝更加環保。所以生物質可降解吸管是目前研究的熱點，其中聚乳酸(PLA)是可降解材料中一種新型的、最具發展和應用前景的生物完全可降解材料，在塑料包裝、塑料吸管和醫用領域具有良好的使用前景，目前改性聚乳酸已經被制作成一次性餐盒、吸管、水杯等可降解材料。

在“禁塑令”的推動下，星巴克推出了獨具特色的可生物降解的“渣渣管”。這種吸管由聚乳酸(PLA)和門店制作咖啡產生的咖啡渣制成。吸管外觀顏色呈咖啡色，具有耐攪拌且浸泡無軟塌、不易粘嘴以及可以順滑地吸大顆粒果粒等特點，給使用者帶來較好的體驗感，而且4個月內降解達90%。

李進等[26]開發了基于聚乳酸(PLA)與聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯(PBAT)共混的生物降解吸管產品。采用熔融指數儀和微機控制電子萬能試驗機研究了不同配方組分的吸管改性材料的力學性能，以及吸管產品的使用性能。當PBAT含量在10%～20%之間時，吸管的生產成型和使用性能最佳。

姜福佳等[27]以玉米醇溶蛋白為主要原料，通過加入羥丙基纖維素、聚乙烯吡咯烷酮、山梨醇、甘油等食品級輔料，制備出一種環保型易降解玉米醇溶蛋白吸管。通過工藝優化，優選出玉米醇溶蛋白吸管最佳成型條件。經過測試，這種吸管的拉伸強度較高，感官較好，且吸管的規格尺寸和質量均符合相關標準。

剛爽等[28]將秸稈、食品膠、糯米粉等生物材料和樹脂按照一定比例混合，通過模塑的方法制得可降解秸稈吸管。所制得的吸管柔韌性較差，具有一定的秸稈原味，且在潮濕環境下兩個月即可生物降解。姜曼等[29]制備了一種全生物降解秸稈吸管，該研究首先對秸稈管進行預處理，然后將其浸泡在纖維素溶液中一定時間后取出，使其在空氣中凝膠化，在秸稈管表面形成一層纖維素膠體膜，再將秸稈管置于蒸餾水中進行溶劑交換，將其自然風干后得到秸稈吸管，最后通過3D打印技術打印連接部件，將各部件連接后得到可降解的吸管成品[30]。該研究制備過程簡單，制得的吸管使用安全，不會對環境造成污染。

2019年Teng Li、胡良兵教授團隊[31]制備了一種無任何粘合劑全天然可降解吸管。該研究利用甘蔗渣制備出混合纖維素納米纖維和微米纖維。將這兩種纖維的濕混合膜卷起來，利用干燥后纖維素纖維之間形成的內部氫鍵進行密封，從而制備可生物降解吸管。這種吸管具有優異的機械性能(拉伸強度約為70 MPa，延伸度高，斷裂應變為12.7%)、足夠的防水性(濕機械強度是目前商業紙吸管的10倍)、低成本、低密度(～0.66 g/cm3)和高自然降解性。

2020年該團隊[32]受天然木材中纖維素和木質素的材料性能增強原理的啟發，研制出具有高度水穩定性的纖維素-木質素增強復合吸管。首先利用混合的纖維素微米纖維和納米纖維，以及木質素粉末制成濕膜，然后在150 ℃的烤箱中烘烤。烘烤后，木質素融化并滲透到微納米纖維素網絡中，作為多酚粘結劑，提高吸管的機械強度和疏水性能。所制備的吸管具有比紙質吸管優越的力學性能、高的水穩定性、低成本、可自然降解等優點。此外，纖維素-木質素增強復合吸管的自然降解性使其有望取代塑料吸管，并為其他石油基塑料提供了可能的替代品。

3 結 語

紙吸管、可食用吸管以及生物降解吸管，都具有各自的優缺點，已經有部分吸管得以推廣使用。但可降解吸管作為新材料，在我國的制造和使用仍處于起步階段，限制其發展的因素主要有三個方面[33]。首先相對于塑料吸管，可降解吸管生產成本高，技術難度大，還有很多難點問題沒有解決。其次，可降解塑料的標準不統一，對于各種所謂的可降解產品無法鑒別是不是真的可以實現生物降解，所以產生了所謂的“偽降解”。最后，我國目前不具備完善的生物降解條件以及降解環境，可降解塑料在使用后與不可降解塑料被用同樣的方法處理，即或垃圾填埋或直接丟棄，這都無法實現單獨100%降解處理，根本無法解決“白色污染”問題，可降解材料全生命周期體系無法實現真正的閉環，阻礙其廣泛應用。但隨著技術革新，相信這些問題都能迎刃而解，可降解吸管必將取代一次性塑料吸管。