利用生物质颗粒与生物聚合物调控可再生泡沫的力学性能与生物降解性

《ACS Sustainable Resource Management》：Using Biomass Particles and Biopolymers to Control the Mechanical Properties and Biodegradability of Renewable Foams

　　

聚合物泡沫广泛用于包装，因其不当处置和对不可再生原料的依赖引发环境担忧，推动了可再生和可生物降解替代品的开发。研究人员提出了由未精制生物质颗粒（甘蔗渣（sugarcane bagasse, SB）和桉树废料（eucalyptus waste, EW））与生物聚合物（淀粉（starch, S）和果胶（pectin, P））组成的可再生泡沫复合材料。采用泡沫成型（foam-forming）制备泡沫，将各组分在水中混合，并通过机械搅拌引入空气气泡。随后将水性泡沫烘干，获得低密度材料（0.13–0.19 g·cm^–3），其中SB泡沫的孔尺寸（约800 μm）小于EW泡沫（约1000 μm）。抗压强度与刚性聚合物泡沫相当（0.08–0.27 MPa），且取决于泡沫组成。呼吸计量法（respirometry）证实了泡沫的可生物降解性，其速率受生物聚合物控制：基于淀粉的泡沫（SB+S和EW+S分别为0.25和0.23 d^–1）比基于果胶的泡沫降解更快。生物降解动力学也受颗粒影响，EW泡沫的迟滞时间比SB泡沫更长。傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实了生物降解后淀粉的分解和水相互作用的增强。研究结果表明，将未精制生物质与生物聚合物相结合，为调控用于包装应用的可再生泡沫的力学性能和生物降解性提供了一种绿色途径。

塑料泡沫（polymeric foams）广泛用于包装，但其不当处置和对不可再生原料的依赖造成环境问题，迫切要求开发可再生、可生物降解的替代材料。现有纤维素类轻质材料通常需要纸浆精制，且可再生泡沫的生物降解性研究仍不充分。为此，研究人员选用两种丰富的未精制生物质颗粒——甘蔗渣（SB）和桉树废料（EW）——与生物聚合物淀粉（S）和果胶（P）结合，通过泡沫成型制备复合泡沫。研究表明，所得泡沫密度低、抗压强度与刚性聚合物泡沫相当，且生物降解速率可通过组分选择进行调控。该成果为绿色设计包装用可再生泡沫提供了新途径，发表于《ACS Sustainable Resource Management》。

研究人员采用泡沫成型技术，将生物质颗粒、生物聚合物和表面活性剂在水中分散，通过机械搅拌引入空气气泡，注模后烘箱干燥制成固体泡沫。利用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）表征颗粒形貌，采用“Rocha”法测定化学组成，用毛细管粘度计测定生物聚合物分子量；使用表观密度测定、X射线显微计算机断层扫描（μCT）、压缩测试和Bartha-Pramer呼吸计法分别评估密度、孔结构、力学性能和生物降解性，并用修正Gompertz模型拟合降解动力学，FTIR检测化学变化。SB和EW均由巴西国家生物可再生实验室（LNBR—CNPEM）提供，SB来自圣保罗州传统糖醇厂，EW来自PelletBraz（Porto Feliz）。

**生物质颗粒与生物聚合物的特性**：通过光学显微镜与SEM观察，SB颗粒较短（<0.7 mm）、细胞壁薄（<0.90 μm），具有20 μm和100 μm双尺度孔隙；EW颗粒最长可达2.0 mm、细胞壁厚（2.7 μm），孔隙均匀约10 μm。化学分析显示SB含41%纤维素、30%半纤维素和24%木质素；EW含47%纤维素、15%半纤维素和28%木质素。毛细管粘度计测得果胶的固有粘度[η]=499.1 mL·g^–1，分子量（MW）为174,000 g·mol^–1；淀粉的[η]=93.95 mL·g^–1，MW为40,300 g·mol^–1。这些差异显著影响泡沫成型与降解行为。

**泡沫的制备**：通过泡沫成型和烘箱干燥获得密度0.13–0.19 g·cm^–3的泡沫。EW+P泡沫密度最低（0.13 g·cm^–3），归因于高MW果胶提高液相粘度，加上刚性EW骨架抵抗排水，从而保持轻质气泡模板结构；低MW淀粉体系排水较明显，导致压实程度更高、密度更大。

**泡沫的力学强度**：压缩曲线呈现典型多孔材料的三阶段特征：弹性区、平台区和致密化区。淀粉基泡沫的平台应力高于果胶基泡沫，表明淀粉对木质纤维素颗粒框架的强化效果优于果胶。SB+S泡沫抗压强度（compressive strength, CS）最高（0.27 MPa），EW+P最低（0.09 MPa）；比抗压强度（SCS）也呈现相同趋势。SEM显示淀粉在泡沫节点处形成膜状富集，而果胶在基体中均匀分布，这解释了强度差异。

**泡沫的形态特征**：μCT分析显示泡沫孔尺寸为100–5000 μm，SB泡沫多数孔小于800 μm，EW泡沫则有较多孔大于1000 μm。颗粒随机分布并形成多面体格子结构。SEM进一步证实淀粉在节点区域积累成膜，果胶未出现明显局部富集。

**生物降解性**：Bartha-Pramer呼吸计监测119天，SB+S、EW+S、SB+P和EW+P的最终生物降解率分别为21%、19%、17%和15.6%。质量损失法因样品碎片化和土壤残留而不可靠。修正Gompertz模型拟合表明，SB+S的降解速率最高（0.25 d^–1，迟滞时间5.8 d），EW+P最低（0.21 d^–1，迟滞时间19.5 d）。FTIR显示淀粉基泡沫降解后出现1638 cm^–1吸附水带，表明淀粉被分解并增强水相互作用；果胶因支链结构较复杂，降解更慢。

讨论指出，生物聚合物类型主要控制初始降解速率，生物质类型则影响迟滞时间。SB+S泡沫适用于短期包装如易腐食品托盘，EW+P泡沫适用于长期储存或运输中的缓冲应用。未来可扩展至其他农业和林业残余物。研究结论部分：研究人员建立了利用未精制SB和EW颗粒与淀粉、果胶生产轻质、抗压、可生物降解泡沫的绿色路线；EW+P密度最低，归因于刚性大颗粒和粘性果胶使湿结构抗流动；SB+S强度最高，源于较高密度、较小孔尺寸和节点处淀粉膜的增强作用；EW+P强度较低，因其孔隙率较高、密度较低且生物聚合物分布均匀。生物降解性可通过组分调控，低MW淀粉和薄壁SB颗粒加速降解，高MW果胶和厚壁EW颗粒减缓降解。这些发现支持将可再生泡沫用作包装填充物，替代聚合物泡沫颗粒和刚性插入件。