以納米纖維素包裝材料設(shè)計(jì)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)

一、研究背景

購(gòu)買(mǎi)的物品、饋贈(zèng)的禮品及日常外賣(mài)等總是以某種方式被包裝后售賣(mài)。即使包裝非常精美，一旦物品被消費(fèi)，包裝就難逃以垃圾的形式被丟棄，成為對(duì)環(huán)境有害的塑料。僅2022年，中國(guó)廢塑料的產(chǎn)量就超過(guò)6000萬(wàn)噸，而僅有1800萬(wàn)噸被回收作為材料再利用。材料的回收利用率（即物理回收）目前的最大值為 30%46% 的包裝類(lèi)廢棄塑料不具備物理回收條件，會(huì)被焚燒或填埋。由于塑料質(zhì)輕可漂浮在水面上，還有大量沒(méi)有被回收的有害塑料流入海洋，每年達(dá)到900萬(wàn)噸。塑料的產(chǎn)量增長(zhǎng)迅速，預(yù)計(jì)2050年會(huì)增長(zhǎng)到8.6億噸，每年大量可回收塑料垃圾會(huì)被混入生活垃圾被焚燒或填埋，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[]。化學(xué)循環(huán)是突破 30% 物理回收的一條出路，如果實(shí)現(xiàn)對(duì)目前10億噸存量塑料垃圾化學(xué)循環(huán)利用，會(huì)減少 67% 的二氧化碳排放，有助于碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

以化石原料制備的塑料很難降解，一般僅會(huì)在尺寸上分解成肉眼無(wú)法分辨的極小顆粒，這屬于物理變化，而不是化學(xué)概念上的分解。細(xì)菌會(huì)將埋在土壤里的植物或食物殘?jiān)到猓珜?duì)塑料垃圾無(wú)能為力。PET瓶在土壤里要至少450年才能分解，而魚(yú)線要達(dá)600年。塑料發(fā)生光降解會(huì)生成小塊的有毒物質(zhì)，如BPA和PS。使用生物可降解塑料是一種解決塑料對(duì)環(huán)境污染的方案[2]

塑料分解所形成的微塑料有嚴(yán)格的定義：即尺寸小于5毫米的塑料碎片[3，這涉及材料專(zhuān)業(yè)大學(xué)生需要掌握的基礎(chǔ)概念，包括材料的物理和化學(xué)性質(zhì)及變化。目前，微塑料已經(jīng)出現(xiàn)在地球的每一個(gè)角落，包括馬里亞納海溝、珠穆朗瑪峰附近，甚至在人體的肺和血液中都有發(fā)現(xiàn)[4。塑料的危害目前已被廣泛關(guān)注，海洋中的微塑料和大的塑料垃圾會(huì)被大型海洋漩渦聚集，形成的大太平洋垃圾帶可以達(dá)到160萬(wàn)平方公里[5]。塑料的危害目前已被全球大多數(shù)國(guó)家關(guān)注，通過(guò)支持環(huán)境友好型包裝替代研究，最終解決這個(gè)具有極大挑戰(zhàn)性的難題。上海理工大學(xué)材料學(xué)院纖維素研究聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室與相關(guān)企業(yè)合作目前正在研究如何將可生物降解的納米纖維素用于更環(huán)保的替代包裝材料。納米纖維素（CNF）是通過(guò)研磨等方法獲得的被解離的直徑小于100納米的纖維素纖維納米結(jié)構(gòu)材料。這一課題可引入多個(gè)本科實(shí)驗(yàn)課程，包括高分子成型實(shí)踐課程及科研項(xiàng)目課程。在這些課程里，學(xué)生可以利用基礎(chǔ)課程的科學(xué)知識(shí)進(jìn)行工程創(chuàng)新實(shí)踐，發(fā)揮他們獨(dú)特的想象力進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐，探索可持續(xù)和環(huán)境友好的石油塑料替代品。通過(guò)開(kāi)放性思考，激發(fā)學(xué)生提出可替代包裝復(fù)合材料的科學(xué)問(wèn)題，然后通過(guò)實(shí)踐找到解決方案。這種開(kāi)放式的科學(xué)項(xiàng)目有助于促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的理解，激發(fā)他們探索自然的好奇心。更為有意義的是，此類(lèi)科研實(shí)踐課程有可能研發(fā)出生態(tài)友好的包裝材料。

二、課堂設(shè)計(jì)原則

納米纖維素用于包裝需要滿足包裝應(yīng)用的一個(gè)重要要求，即材料具有低透水性及高柔韌性，所以需要實(shí)現(xiàn)對(duì)納米纖維素的透水參數(shù)的調(diào)節(jié)，通過(guò)測(cè)試來(lái)判斷滲水效果及生態(tài)安全。通過(guò)電子顯微鏡觀察干燥后的CNF，其納米纖維素呈現(xiàn)出三維網(wǎng)絡(luò)無(wú)序排列（圖1）。納米級(jí)別的纖維彼此纏繞使包裝薄膜具有較強(qiáng)的強(qiáng)度，但纖維之間存在大量空隙，這導(dǎo)致薄膜會(huì)滲透水，從而成為質(zhì)量較差的包裝材料。針對(duì)透水參數(shù)需要學(xué)生獨(dú)自探索并對(duì)這一前沿研究進(jìn)行建模。比如說(shuō)，學(xué)生可以通過(guò)將納米纖維素與其他可以生物降解材料混合，以此填充纖維間的微觀空間，進(jìn)而改變復(fù)合薄膜的水滲透參數(shù)值，通過(guò)測(cè)試判斷滲水效果。測(cè)試滲水效果的同時(shí)，學(xué)生還要研究材料的生態(tài)安全特性，論證為什么這些材料可以與CNF一起制備包裝材料。這樣的課程設(shè)計(jì)是一種非常有效的方法，可培養(yǎng)學(xué)生利用搜索并掌握的信息來(lái)解決問(wèn)題的能力，包括識(shí)別問(wèn)題、信息搜索、評(píng)價(jià)和有效利用等方面，而這些能力正是目前許多實(shí)踐課所欠缺的。

三、實(shí)驗(yàn)與機(jī)理

實(shí)驗(yàn)可以使用由上海理工大學(xué)材料與化學(xué)學(xué)院與上海益生纖新材料公司聯(lián)合制備的 1.5wt% 的纖維素納米纖維漿料；培養(yǎng)皿（ 100mm×15mm ）；量筒；電子秤；帶有金屬環(huán)的廣口瓶；小口瓶及密封圈；自來(lái)水；保鮮膜；其他生物降解材料（例如，花生殼，香蕉皮，藍(lán)綠藻，蘑菇，龍蝦殼，貝殼或桐油等）。這些材料是經(jīng)過(guò)學(xué)生調(diào)研后確定的，均被粉碎成粉末；學(xué)生要按照評(píng)分規(guī)則，在實(shí)驗(yàn)記錄本上記錄并整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

將學(xué)生分組，要求每組制備3張純CNF納米纖維素膜和自定義濃度的復(fù)合膜，由指定重量的生物降解材料和1.5wt%CNF制備而成。在所有使用的燒杯壁上對(duì)材料成分做標(biāo)記（例如將燒杯#1-#3標(biāo)記為100%CNF，將燒杯#4-#6標(biāo)記為 80%CNF ）。將3個(gè)空燒杯去皮稱(chēng)重后加入約 30g 的 1.5wt%CNF ，并詳細(xì)記錄在實(shí)驗(yàn)報(bào)告本上。使用玻璃棒將漿料攪拌均勻后倒入真空抽濾裝置。同樣，為了制備復(fù)合包裝薄膜，在每個(gè)空燒杯加入 1.5wt%CNF 漿料和粉碎的生物材料。將燒杯內(nèi)的混合物混合均勻后，倒入真空抽濾裝置。經(jīng)抽濾后的薄膜隨濾紙取出放入通風(fēng)干燥箱中。經(jīng)過(guò)24～72h 后（視濕度及設(shè)定的溫度而定），可以獲得干燥薄膜。一旦薄膜干燥，將薄膜慢慢從濾紙上取下并防止撕裂，編號(hào)并用記號(hào)筆標(biāo)記組分。后續(xù)可以在干燥的薄膜上覆蓋一層生物材料來(lái)形成交替類(lèi)型的復(fù)合材料。可以通過(guò)將液體材料（如桐油）直接涂敷在100% CNF薄膜上。制備這樣的薄膜將需要更長(zhǎng)的干燥時(shí)間（長(zhǎng)達(dá)一到兩天），這需要教師按照課時(shí)設(shè)定。根據(jù)需要，學(xué)生可對(duì)涂敷在CNF膜上的涂層數(shù)對(duì)水滲透性的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（一）實(shí)驗(yàn)材料

此替代包裝研究的課程教學(xué)涵蓋工程與科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)、科學(xué)與工程實(shí)踐、學(xué)科核心思想和交叉概念，并展示這些標(biāo)準(zhǔn)如何應(yīng)用于替代包裝項(xiàng)目[。在進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)時(shí)，可明確學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期效果、教學(xué)方式及可支撐的課程目標(biāo)。

（二）包裝薄膜制備工藝

以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)背景信息，最后通過(guò)圖表來(lái)展現(xiàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果。

（三）薄膜性能測(cè)試與表征

每位學(xué)生準(zhǔn)備12個(gè)用自來(lái)水裝滿一半的梅森瓶并編號(hào)。#1-#3不放任何樣品，僅把金屬環(huán)扣好。#4-#6用塑料薄膜密封并扣好金屬環(huán)。#7-#9用1.5wt%CNF薄膜密封并扣好金屬環(huán)。#10-#12用不同含量的CNF復(fù)合薄膜密封，并扣好金屬環(huán)。其中，對(duì)于沒(méi)有薄膜的瓶子和有塑料薄膜的瓶子的數(shù)據(jù)，全班可以共享來(lái)節(jié)省成本和時(shí)間。

學(xué)生需要在實(shí)驗(yàn)記錄本上創(chuàng)建一個(gè)表格，每天記錄每個(gè)瓶子的質(zhì)量，連續(xù)五天。為了培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)和計(jì)算統(tǒng)計(jì)能力，可以要求學(xué)生利用軟件（Excel等）為數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個(gè)電子表格作為擴(kuò)展，從而可以輸入自動(dòng)計(jì)算每天損失的總水量的公式。每次測(cè)量后，學(xué)生通過(guò)從每個(gè)瓶子的初始質(zhì)量減去新確定的日質(zhì)量來(lái)確定給定樣品因蒸發(fā)而損失的水量（g）。然后將每個(gè)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)取平均值，并繪制在時(shí)間（天）與失水量（g）的折線圖上。

學(xué)生從實(shí)驗(yàn)第一天開(kāi)始，每天記錄每個(gè)瓶子的重量，以確定水的損失量（g），并記錄在實(shí)驗(yàn)報(bào)告本上。需要注意的是，為了符合實(shí)驗(yàn)的時(shí)間設(shè)定，要求記錄每次數(shù)據(jù)收集的日期。

四、數(shù)據(jù)分析與討論

學(xué)生將統(tǒng)計(jì)出3個(gè)梅森瓶的重量的變化的平均值來(lái)作為水蒸發(fā)的損失量，繪制5天水損失與天數(shù)的曲線關(guān)系（如圖2所示）。曲線需包含每天收集到的數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)誤差。均值的 10% 標(biāo)準(zhǔn)誤差表示試驗(yàn)均值（平均失水量）與真實(shí)均值（所有試驗(yàn)）的差距。另外，學(xué)生也可以繪制出條形圖/柱狀圖來(lái)比較項(xiàng)目期間的水損失。

圖2為7種不同處理的梅森瓶（口瓶， 100% 干燥的CNF， 90% 干燥的CNF和 10% 甲殼素， 80% 干燥的CNF和 20% 甲殼素， 70% 干燥的CNF和 30% 甲殼素， 60% 干燥的CNF和 40% 甲殼素復(fù)合物）在5天內(nèi)的失水量。結(jié)果表明，塑料（行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）的失水最少，80%CNF 的效果明顯優(yōu)于 100% CNF。CNF和甲殼素復(fù)合膜的組份變化對(duì)梅森罐的失水量的影響并不顯著。

考慮到包裝材料的穩(wěn)定性對(duì)于食品保鮮的重要性，也讓學(xué)生理解添加不同生物材料的納米纖維素薄膜的力學(xué)性能的改變，對(duì)不同添加量的納米纖維素包裝薄膜進(jìn)行機(jī)械拉伸測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)拉伸曲線不同，隨著添加量的增加，薄膜的力學(xué)性能降低，但應(yīng)變性能并未降低，所有的樣品形變接近 1% 均未破裂。

學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論后進(jìn)入學(xué)生間交流與討論環(huán)節(jié)，這是非常重要的培養(yǎng)科學(xué)與工程實(shí)踐能力的部分。學(xué)生可以將實(shí)驗(yàn)心得制作成一個(gè)四格表來(lái)展示他們的成果。這種四格表中包含背景、數(shù)據(jù)、過(guò)程和結(jié)論四大板塊。在四格表里，學(xué)生可以通過(guò)文字、示意圖、數(shù)據(jù)圖或照片等方式來(lái)模擬真實(shí)的會(huì)議或路演，并且需要提供摘要，簡(jiǎn)單描述發(fā)現(xiàn)的可以提供的包裝技術(shù)。這種四格表可以作為墻報(bào)在課堂上展出，從而方便與其他學(xué)生或指導(dǎo)教師分享成果。要求學(xué)生寫(xiě)一篇報(bào)告，總結(jié)出自己在CNF膜制備中所選擇使用可生物降解產(chǎn)品的合理性依據(jù)。這樣在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程里學(xué)生概括制備工藝程序，以圖表的形式展現(xiàn)他們實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，然后撰寫(xiě)報(bào)告來(lái)分享他們的結(jié)論。

此外，學(xué)生可以在課堂實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)自己的能力在課外繼續(xù)研究，將這個(gè)研究發(fā)展成一個(gè)科學(xué)或工程的博覽會(huì)項(xiàng)目。特別地，學(xué)生們可以根據(jù)課堂的研究結(jié)果來(lái)找到具有最好降低水滲透能力的生物材料，然后可以根據(jù)自己的分析來(lái)提出預(yù)期結(jié)果并重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，最后通過(guò)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

五、總結(jié)

本文所闡述的探究實(shí)驗(yàn)課程的目的是讓學(xué)生了解目前嚴(yán)峻的塑料污染問(wèn)題并激發(fā)他們創(chuàng)造出可降解包裝材料的靈感。這個(gè)課程可以同時(shí)讓學(xué)生獲得交叉學(xué)科的經(jīng)驗(yàn)，掌握閱讀文獻(xiàn)的方法，學(xué)會(huì)引用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的技巧，提高對(duì)知識(shí)的理解能力和表達(dá)能力。這個(gè)項(xiàng)目其實(shí)還可以幫助學(xué)生進(jìn)一步進(jìn)行材料模擬計(jì)算，涉及算法、邏輯、分解和模式識(shí)別。這種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有極強(qiáng)的探索性，并且不枯燥，極具吸引力。這種模式可以激發(fā)學(xué)生的好奇心，并引導(dǎo)他們?cè)趲椭鉀Q一個(gè)緊迫的全球問(wèn)題上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，從而實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)未來(lái)科學(xué)家、工程師和環(huán)保活動(dòng)家的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]李景虹.加快推動(dòng)廢塑料化學(xué)循環(huán)，有效應(yīng)對(duì)塑料污染[J].科技導(dǎo)報(bào)，2024，42（16）：1-2.

[2]金琰，蔡凡凡，王立功，等.Advancein thedegradationofbiodegradableplasticsindifferent environments[J].生物工程學(xué)報(bào)，2022，38（05）：1784-1808.

[3]馮亞慧，李灼，李文靜.塑料顆粒對(duì)人體健康影響的研究進(jìn)展[].南京醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，44（09）：1310-1317.

[4]Napper，I.E.，etal.，ReachingNewHeightsin Plastic Pollution—Preliminary Findings of Microplastics on MountEverest[J].OneEarth，2020.3（05）：621-630.

[5]Zhang，K.，etal.，Understandingplasticdegradation and microplastic formationin the environment：A review[J]. Environ Pollut，2021.274：116554.

[6]Vassiliev，T.N.，D.J.Gardner，andD.J. Neivandt，A middle school investigation into developing environmentally friendly packaging[J].Science Activities，2024.61（03）：152-161.

[7]同[6].

本文得到以下項(xiàng)目支持：2023年上海高校本科重點(diǎn)教改項(xiàng)目“科教貫通、產(chǎn)教融合，培養(yǎng)新材料行業(yè)卓越工程師改革與實(shí)踐”（滬教委高［2023］47號(hào)）；2023年度上海高校市級(jí)一流本科課程一材料科學(xué)基礎(chǔ)（英）（滬教委高［2024]2號(hào)）；上海市教育科學(xué)研究項(xiàng)目“高校基層黨建引領(lǐng)課程思政建設(shè)實(shí)踐研究”（C2022092）。

（作者單位：上海理工大學(xué)材料與化學(xué)學(xué)院）