藻类残渣生物质升级再造为可降解材料：通过疏水改性提升结构性能与应用潜力

为解决传统塑料污染及生物基材料成本高、性能不足等问题，研究人员开展藻类残渣生物质（ARB）疏水改性及其在PLA/PBAT共混体系中的应用研究。通过乙酰化改性，ARB兼具成核剂（PLA/PBAT 30/70共混物结晶度从12.77%提升至32.30%）和相容剂功能（PLA/PBAT 70/30共混物高温tanδ峰消失），显著提升材料力学性能（断裂伸长率增至7.97%）并降低成本14.13%。该研究为开发低成本、可调控性能的环保生物复合材料提供新策略。

　　

研究背景与意义
塑料污染已成为全球环境危机，每年约79%的石油基塑料未被有效回收，预计到2025年累积量达110亿吨。聚乳酸（PLA）和聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯（PBAT）作为生物可降解材料，虽能缓解污染，但存在成本高（PLA 5美元/kg）、韧性差、结晶度低等问题。藻类残渣生物质（ARB）因其年产量3.75×10⁸吨、非耕地生长特性及高有机碳含量（43.5%），成为替代传统填料的理想选择。然而，ARB与聚合物基体的相容性差限制了其应用。

研究方法
江苏省科研团队通过乙酸酐乙酰化改性ARB（优化比例8:1），将其与PLA/PBAT（70/30和30/70比例）熔融共混，系统分析不同ARB含量（15%、20%、25%）对复合材料相形态、结晶行为（DSC）、力学性能（拉伸/弯曲测试）、热稳定性（TGA）及生物降解性（8周土埋实验）的影响，并评估经济成本。

研究结果

1. ARB作为填料的潜力
   ARB含49%蛋白质及淀粉-脂质复合物（EDS证实均匀分布的C、N、O元素），乙酰化后接触角从65°增至112°，显著提升疏水性（图1a）。

2. 结构性能优化

• 成核效应：ARB使PLA/PBAT 30/70共混物结晶度从12.77%升至32.30%（DSC）。
• 相容性：PLA/PBAT 70/30共混物高温tanδ峰消失，表明界面结合增强（DMA）。

1. 力学性能调控

• 20% ARB的PLA/PBAT 30/70共混物拉伸强度6.24 MPa，断裂伸长率7.82%，优于纯PLA（7.24%）。
• PLA/PBAT 70/30共混物弯曲模量从1106.92 MPa降至200 MPa，实现体系软化。

1. 环境与经济性

• 生物降解率17.71%/8周，无植物毒性。
• 材料成本降低14.13%，优于淀粉基塑料。

结论与意义
该研究证实乙酰化ARB可同时作为PLA/PBAT共混物的成核剂和相容剂，突破传统生物填料功能单一的局限。通过调控ARB含量，实现材料力学性能（如塑性变形）与成本的平衡，为开发兼具高性能、低成本及环境友好特性的生物复合材料提供新思路，助力“碳中和”目标下生物基塑料的规模化应用。论文发表于《Algal Research》，通讯作者为Bo Bian。