一次性塑料吸管的替代研究

李新玥，牟行翠

(1 西安工程大学前沿技术融合办公室，陕西 西安 710048；2 浙江工业大学广东研究院，广东 东莞 523000)

随着工业经济的不断发展和社会需求的迅速增加，塑料已成为在工业、农业、国防建设和现代生活中不可或缺的物质元素。塑料制品在为人们带来诸多生活便利的同时，由废弃塑料造成的环境污染也已成为人类社会可持续发展面临的最主要环境问题之一[1-3]。

据文献报道，人类已经生产出约83亿吨塑料制品，其中有63亿吨被废弃，而这些废弃塑料中有12%被焚烧处理，9%被回收利用，79%则在垃圾填埋场简单填埋或在自然环境中不断积累[4-7]。即使这样，一次性塑料制品的生产步伐并没有放缓，据测算按照目前的趋势，截止到2050年，全球将有大约120亿吨塑料垃圾，这将严重威胁地球生态环境和人类健康[8]。目前我国每年大约生产3万多吨一次性塑料吸管，每人每年平均使用量超过30根。这种一次性塑料吸管使用量巨大，使用时间仅几分钟到数十分钟，但降解时间却超过500年。在漫长的降解过程中，这些塑料在各种物理、化学以及环境等作用下通过不同方式分解成各种形式的微塑料，这些微塑料无法降解，而且由于尺寸极小，可能存在于自然界的各个角落。这些微塑料不仅影响自然环境，而且会通过食物链进行传递，最终进入人体，危害人类的身体健康[9]。所以我国在2021年颁布了史上最严禁塑令，要求全国餐饮行业禁止使用不可降解一次性塑料吸管。

研究人员曾经试图用玻璃吸管、不锈钢吸管以及硅胶吸管等来代替塑料吸管[10-11]，其中玻璃吸管具有耐腐蚀耐高温的特点，但存在能源消耗大、带来安全隐患等缺点；不锈钢吸管可以重复使用，但存在卫生及安全隐患；硅胶吸管存在性质不稳定等缺点。由于各种因素的影响，这些吸管也只是停留在小范围试验阶段，并没有推广使用。生物可降解吸管在生物作用下容易发生降解，降解周期短，大部分生物降解吸管最终被完全分解成水、二氧化碳、氮气等物质，不会像普通塑料那样长期以垃圾的形态留存在自然界，从根本上解决了塑料带来的环境污染问题。所以，找到真正可以代替塑料吸管的可降解吸管是人们研究的热点。

1 生物降解机理

按照不同的降解方式进行分类，可将可降解塑料分为生物降解型、光降解型、光-生物降解型和水降解型四大类。但光降解、光-生物降解塑料由于受到技术、成本等因素的限制，导致产品类型较少，所以常见的可降解塑料主要为生物降解塑料[12-13]。

生物降解是指在自然条件或堆肥条件下，自然界存在的微生物将聚合物材料完全分解为水、二氧化碳和其他生物质的过程，这一过程由于不添加任何额外的化学试剂所以不产生对自然界以及人类有毒有害的物质[14-15]。生物降解的过程从作用方式可分为3个步骤，一是微生物吸附在材料上，通过其生长和代谢对材料产生一定的物理降解作用，使材料在宏观上产生断裂或裂纹等；二是微生物代谢产生的酶作用于高分子材料，使材料高分子链发生水解和酶解，降解为可溶性小分子；三是这种可溶性小分子被微生物吸收，并完全分解为水、二氧化碳和其他生物质，最终被排出体外。至此，一个生物降解过程结束。

生物降解是一个较为复杂的过程，其降解的程度和速率受较多因素影响，主要包括降解所发生的温度、湿度、pH值、氧浓度、微生物种类以及微生物浓度等环境因素和材料分子量、氢键、基团、空间结构和晶体结构等结构因素[16-18]。当环境中的水份、温度、湿度及pH值适宜微生物生长时，材料极其容易发生生物降解。同时能否发生有效的降解受微生物的种类影响，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对特定的高分子材料进行高效降解。

材料的结构性能是决定其生物降解优劣的根本因素。当高分子材料主链结构中的不稳定键发生水解时，材料会变成水溶性小分子，当侧链结构中不稳定键水解时，材料会变成水溶性聚合物，当不稳定交联键发生水解时，高分子材料会变成可溶性线性高分子，这极大促进了生物降解的发生[19]。同时高分子的亲水性基团越多、分子中易水解的键越多，越容易生物降解；高分子中含有的氢键越多、交联度越高、侧链越多、晶体结构越规整，材料越不易发生生物降解[11]。

2 可降解吸管的研究进展

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。这种吸管即使没有被吃下，也会在自然环境中较快地被生物降解，不会造成环境污染。目前已经报道的可食用吸管有韩国研制的大米和木薯粉吸管、美国研制的意大利面吸管和海藻吸管等，这些吸管由于多种因素限制目前仍处于小范围的试用阶段[20]。

俞书宏教授团队，研制出具有优异性能的可食用细菌纤维素基吸管[21-23]。该团队首先通过生物合成技术将细菌纤维素压制成薄膜，然后在薄膜表面接枝一层较薄的海藻酸钠。海藻酸钠作为一种可食用的天然多糖聚合物，能穿透孔隙进入细菌纤维素薄膜的三维纳米纤维网络中并与之形成大量的氢键，从而产生较强的相互作用力。然后将这种接枝了海藻酸钠的薄膜卷制成管，浸入到乳酸钙溶液中进行交联。最后，经过洗涤和干燥，制备出可食用和可生物降解的细菌纤维素基吸管。该团队还通过在细菌纤维素的三维纳米纤维网络中负载可食用色素或天然植物提取物的方法，制备出不同颜色和不同口味的吸管。这种可食用的细菌纤维素基吸管与一次性塑料吸管和纸吸管相比，在成本、强力以及使用者的体验感都有明显的优势，而且当埋入土壤后，在自然环境中45天后完全消失，与传统生物降解相比大大缩短了降解周期，所以这种吸管在快速生物降解方面有绝对优势。

可食用吸管在制作过程中不使用任何化学有害物质，降解周期短，可以满足环境保护的要求。但同时也存在一些问题，比如，防腐性能差，保质期较短，在储存及运输中都需要更高的储存条件。且不耐高温，长时间的高温湿热环境使其性能迅速下降，对使用造成不便。而且部分人对其是否真的可食用，食用后是否会造成不良影响持怀疑态度，所以可食用吸管也不能代替塑料吸管。

2.2 纸质吸管

自塑料吸管被限制使用以来，大部分商家首选用纸质吸管来代替。纸吸管具有易加工、形状多样、外观吸引人等优点，但纸吸管在使用中最大的问题在于，使用一段时间之后就会变软，从而无法正常使用甚至影响食用口感。即使这样，出于环保考虑，仍然有关于纸质吸管的研究，部分商家也在提供。

徐永建等用漂白硫酸盐针叶木浆和阔叶木浆为原料，制备出了纸吸管原纸。研究了漂白硫酸盐针叶木浆和阔叶木浆的配比、施胶剂用量以及湿强剂等因素对原纸性能指标的影响，得到最佳的纸吸管原纸制备工艺，并对纸吸管原纸的使用安全性进行评价[24]。他们还在以上原纸的基础上，利用湿法成形的方法，经过表面施胶和涂布耐热胶黏剂等过程制备出耐热型吸管纸[25]。通过挺度、环压强度、湿抗张强度及接触角等指标的测试对吸管纸性能进行全面评价，对比研究了耐热胶黏剂和普通胶黏剂对纸吸管性能及使用安全性的影响。结果表明这种吸管满足耐热型纸吸管的使用性能及安全性能要求[16]。

纸吸管是目前市场上最常见的一类可降解吸管，降解时间一般为3～4个月，符合环境友好型理念。但同时存在强度低特别是湿强度低、耐热性差等缺点。通常受所用原料的影响，纸吸管会携带轻微异味，这给使用者带来不好的体验感。所以现有的研究也主要集中在改善纸吸管用原纸的性能从而提高其强度和耐热性上，但是纸吸管的强度和耐热性不仅受原纸的性能影响，还与纸吸管的生产工艺密切相关[19]。因此，可以从优化纸吸管的生产工艺着手，以期改善其强度及耐热性等。

2.3 生物降解吸管

生物质可降解材料的原料一般来自于自然界植物或微生物，如纤维素、淀粉、乳酸等可再生资源，这些物质通常通过生物发酵或人工合成而来，与生物化学反应相比节省了能耗，而且过程中不会产生废气、废液等，生产工艺更加环保。所以生物质可降解吸管是目前研究的热点，其中聚乳酸(PLA)是可降解材料中一种新型的、最具发展和应用前景的生物完全可降解材料，在塑料包装、塑料吸管和医用领域具有良好的使用前景，目前改性聚乳酸已经被制作成一次性餐盒、吸管、水杯等可降解材料。

在“禁塑令”的推动下，星巴克推出了独具特色的可生物降解的“渣渣管”。这种吸管由聚乳酸(PLA)和门店制作咖啡产生的咖啡渣制成。吸管外观颜色呈咖啡色，具有耐搅拌且浸泡无软塌、不易粘嘴以及可以顺滑地吸大颗粒果粒等特点，给使用者带来较好的体验感，而且4个月内降解达90%。

李进等[26]开发了基于聚乳酸(PLA)与聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)共混的生物降解吸管产品。采用熔融指数仪和微机控制电子万能试验机研究了不同配方组分的吸管改性材料的力学性能，以及吸管产品的使用性能。当PBAT含量在10%～20%之间时，吸管的生产成型和使用性能最佳。

姜福佳等[27]以玉米醇溶蛋白为主要原料，通过加入羟丙基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、山梨醇、甘油等食品级辅料，制备出一种环保型易降解玉米醇溶蛋白吸管。通过工艺优化，优选出玉米醇溶蛋白吸管最佳成型条件。经过测试，这种吸管的拉伸强度较高，感官较好，且吸管的规格尺寸和质量均符合相关标准。

刚爽等[28]将秸秆、食品胶、糯米粉等生物材料和树脂按照一定比例混合，通过模塑的方法制得可降解秸秆吸管。所制得的吸管柔韧性较差，具有一定的秸秆原味，且在潮湿环境下两个月即可生物降解。姜曼等[29]制备了一种全生物降解秸秆吸管，该研究首先对秸秆管进行预处理，然后将其浸泡在纤维素溶液中一定时间后取出，使其在空气中凝胶化，在秸秆管表面形成一层纤维素胶体膜，再将秸秆管置于蒸馏水中进行溶剂交换，将其自然风干后得到秸秆吸管，最后通过3D打印技术打印连接部件，将各部件连接后得到可降解的吸管成品[30]。该研究制备过程简单，制得的吸管使用安全，不会对环境造成污染。

2019年Teng Li、胡良兵教授团队[31]制备了一种无任何粘合剂全天然可降解吸管。该研究利用甘蔗渣制备出混合纤维素纳米纤维和微米纤维。将这两种纤维的湿混合膜卷起来，利用干燥后纤维素纤维之间形成的内部氢键进行密封，从而制备可生物降解吸管。这种吸管具有优异的机械性能(拉伸强度约为70 MPa，延伸度高，断裂应变为12.7%)、足够的防水性(湿机械强度是目前商业纸吸管的10倍)、低成本、低密度(～0.66 g/cm3)和高自然降解性。

2020年该团队[32]受天然木材中纤维素和木质素的材料性能增强原理的启发，研制出具有高度水稳定性的纤维素-木质素增强复合吸管。首先利用混合的纤维素微米纤维和纳米纤维，以及木质素粉末制成湿膜，然后在150 ℃的烤箱中烘烤。烘烤后，木质素融化并渗透到微纳米纤维素网络中，作为多酚粘结剂，提高吸管的机械强度和疏水性能。所制备的吸管具有比纸质吸管优越的力学性能、高的水稳定性、低成本、可自然降解等优点。此外，纤维素-木质素增强复合吸管的自然降解性使其有望取代塑料吸管，并为其他石油基塑料提供了可能的替代品。

3 结 语

纸吸管、可食用吸管以及生物降解吸管，都具有各自的优缺点，已经有部分吸管得以推广使用。但可降解吸管作为新材料，在我国的制造和使用仍处于起步阶段，限制其发展的因素主要有三个方面[33]。首先相对于塑料吸管，可降解吸管生产成本高，技术难度大，还有很多难点问题没有解决。其次，可降解塑料的标准不统一，对于各种所谓的可降解产品无法鉴别是不是真的可以实现生物降解，所以产生了所谓的“伪降解”。最后，我国目前不具备完善的生物降解条件以及降解环境，可降解塑料在使用后与不可降解塑料被用同样的方法处理，即或垃圾填埋或直接丢弃，这都无法实现单独100%降解处理，根本无法解决“白色污染”问题，可降解材料全生命周期体系无法实现真正的闭环，阻碍其广泛应用。但随着技术革新，相信这些问题都能迎刃而解，可降解吸管必将取代一次性塑料吸管。