新兴PLA/MXene纳米复合材料的环境足迹评估：可持续性挑战与优化策略

《ACS Applied Engineering Materials》：Environmental Footprint Assessment of Emerging PLA/MXene Nanocomposites

本文首次对PLA/Ti3C2Tx纳米复合材料进行了全生命周期评估（LCA），系统分析了从MXene制备到纳米复合材料的合成过程对环境的影响。研究表明，尽管Ti3C2Tx纳米片本身的合成会产生较高碳排放（14.6 kg CO2/g），但由于其在复合材料中极低的添加量（3.2×10–3wt%），对整体环境影响微乎其微。纳米复合材料的主要环境热点来自溶剂乙腈（ACN）的使用和能耗过程，其全球变暖潜能（GWP100）为193 g CO2-eq/g。研究为优化制备工艺、降低环境足迹提供了关键数据支撑，对推动二维材料可持续应用具有重要意义。

　　

引言

随着欧盟（EU）近三十年来日益重视生命周期评估（LCA）政策，开发多功能、环境友好的聚合物基纳米复合材料以实现可持续发展目标已成为研究热点。聚乳酸（PLA）作为一种热塑性生物聚合物，因其生态友好、抗菌、良好的机械和热性能、可生物降解和生物相容性等独特特性，在环境、生物医学、食品包装和增材制造等领域备受青睐。近年来，由早期过渡金属碳化物和/或氮化物组成的二维材料家族MXenes的出现，为聚合物纳米复合材料带来了新的机遇。其中，Ti₃C₂T_x作为MXene的代表，因其优异的机械、热、电和抗菌性能，与PLA结合形成的PLA/MXene纳米复合材料已成为前沿研究和工业开发的新领域。然而，关于MXenes及其纳米复合材料的环境影响信息却十分有限。为此，本研究首次对PLA/Ti₃C₂T_x纳米复合材料进行了全面的环境足迹评估，旨在揭示其制备过程对环境的影响，并为优化工艺、减少对人类健康和环境的潜在风险提供科学依据。

实验部分

材料与方法

研究选用购买的MAX相Ti₃AlC₂粉末、盐酸（HCl）、氟化钠（NaF）、乙腈（ACN）以及PLA纤维。通过温和的化学蚀刻法（自上而下法）从Ti₃AlC₂合成了多层Ti₃C₂T_x，并进一步利用超声探针在ACN中剥离制备出单层Ti₃C₂T_x分散体。随后，将PLA溶解于ACN，并与Ti₃C₂T_x分散体混合，通过磁力搅拌制备PLA/Ti₃C₂T_x纳米复合材料。材料表征采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和差示扫描量热法（DSC）。LCA分析使用OpenLCA 2.0.4软件和Ecoinvent数据库3.10，主要采用ReCiPe 2016中点方法进行评估。

分析步骤与边界条件

本研究采用门到门（gate-to-gate）方法，重点评估从原材料到纳米复合材料生产的阶段，包括材料提取、生产、纯化、废物积累、包装和运输。使用阶段、服务寿命和报废阶段（EoL）因依赖于具体应用场景而未包含在本研究范围内。化学中和过程及MAX相粉碎过程由于缺乏可靠的实验室规模数据也未予考虑。地理范围上，MAX相生产的原材料区域化为美国，电力区域化为加拿大（阿尔伯塔省），后续加工步骤在欧洲进行，并使用欧盟背景数据集进行建模。为增强结果的稳健性，还使用了OpenLCA蒙特卡洛模拟工具进行了1000次迭代（95%置信区间）。

Ti₃C₂T_x纳米片分散体的LCA

对Ti₃C₂T_x纳米片及其分散体制备的LCA分析显示，生产1克Ti₃C₂T_x纳米片会产生14.6 kg CO₂-eq的GWP₁₀₀。然而，当将其制备成分散体形式时，其对大多数中点指标（如淡水生态毒性潜力FETP、海洋生态毒性潜力METP）的贡献显著降低。通过ReCiPe 2016等多种LCIA方法对比，GWP₁₀₀和陆地酸化潜力（TAP）等关键指标的结果高度一致，而消耗臭氧层潜力（ODP）在不同方法间存在一定差异，本研究结果（~2.9×10^–9kg CFC-11-eq）与TRACI和CML方法不完全一致。

PLA/Ti₃C₂T_x纳米复合材料的LCA

对PLA/Ti₃C₂T_x纳米复合材料的LCA揭示了其环境影响的主要来源。分析表明，ACN市场的排放是GWP₁₀₀（193 g CO₂-eq/g 纳米复合材料）的最大贡献者（49.5%），而Ti₃C₂T_x生产本身由于其极低的添加量，贡献极小（约3%）。在陆地酸化潜力（TAP）方面，ACN市场更是贡献了80%的影响。对于淡水富营养化潜力（FEP），ACN市场（73%）和能源生产（18%）是主导因素。终点指标分析进一步表明，人类健康影响（以DALYs计）和生态系统质量影响（以物种×年计）也主要受ACN使用和能耗过程驱动。值得注意的是，PLA市场对农业土地占用（LOP）有显著贡献（39%）。总体而言，纳米复合材料的环境表现主要取决于聚合物基质和溶剂/能源操作，而非纳米填料。

结果与讨论

LCA结果明确指出了PLA/Ti₃C₂T_x纳米复合材料制备过程中的环境热点。尽管Ti₃C₂T_x的合成本身具有较高的碳足迹，但其在复合材料中的微量使用使得其整体贡献可以忽略不计。研究强调，溶剂ACN的使用和相关的能源密集型过程（如蒸发/干燥步骤）是减少环境足迹的关键优化环节。与其他文献报道的Ti₃C₂T_x合成方法的GWP值（1.4 至 15.8 kg CO₂/g）相比，本研究的实验室规模制备结果（14.6 kg CO₂/g）处于合理范围。蒙特卡洛模拟显示，由于前景过程参数确定，本研究的LCA结果不确定性较低。未来的优化策略应侧重于使用更环保的溶剂替代ACN、提高溶剂回收效率、优化能源消耗以及改进生产工艺。

结论

本研究首次对新兴的PLA/Ti₃C₂T_x纳米复合材料进行了系统的环境足迹评估。结果表明，在低添加量（3.2×10^–3wt%) 的应用场景下，纳米填料Ti₃C₂T_x本身对复合材料整体环境影响的贡献很小（<2%）。环境性能主要受聚合物基质（PLA）和生产过程中溶剂（ACN）使用及能耗的支配。PLA/Ti₃C₂T_x纳米复合材料的全球变暖潜能（GWP₁₀₀）为193 g CO₂-eq/g。为了推进该类材料的可持续发展，未来的研究应优先关注溶剂管理（如寻找绿色替代品、提高回收率）、工艺强化以降低能耗，并需要开展从摇篮到坟墓的全生命周期评估，将使用阶段和报废阶段纳入考量。本研究为理解和改善PLA/MXene纳米复合材料的环境绩效提供了重要的基础数据和方法学参考，对其在生物医学、增材制造等领域的可持续应用具有指导意义。