热塑性聚氨酯产生的微塑料可实现快速生物降解

微塑料是由普通塑料物品掉落的小而几乎坚不可摧的碎片。随着有关微塑料的信息越来越多，情况变得更糟。众所周知，微塑料存在于土壤、海洋，甚至是最不可能存在的地方——动脉、肺和胎盘。

微塑料可能需要长达 1000年的时间才能分解，在此期间，它们在人体和地球上的日常存在量会增加。

现在比以往任何时候都更重要的是找到微塑料和石油衍生的传统塑料的可持续替代品。

3月35日，Algenesis和加州大学圣地亚哥分校的专家 接受AZO Materials专访，他们公开表示，由他们 生产的植物基聚合物，即使在微塑料水平上，也能在不到七个月的时间内生物降解。报告发表在《自然科学报告》上，由加州大学圣地亚哥分校的教授、校友或前研究科学家撰写。

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由环境可生物降解的聚酯聚氨酯产生的微塑料不会在自然环境中持续存在

人类大面积使用塑料的主要后果之一是产生微塑料：微小的塑料颗粒存在于地球上的任何地方。

微塑料通常由各种物理和化学过程形成，如物理或化学诱导的碎片、磨损、制造过程和紫外线降解。微塑料现在已被证明会在物理环境中沉积，如水体、土壤、雨水，甚至分散在空气中。由于其普遍性，其现在是食物链的一部分。早期证据表明，微塑料或对生态系统、动物和人类造成重大危害。

团队认为，减轻微塑料对环境影响的一个有效解决方案是开发在其正常生命周期中不会产生持久性微塑料的塑料，而能够满足该方案的高分子材料为聚氨酯。

聚氨酯是一类广泛用于各种产品的聚合物，包括泡沫垫、粘合剂、涂料和合成纤维。该材料具有许多理想的性能，如重量轻、耐用和柔性。

聚氨酯聚合物由多元醇和异氰酸酯的重复单元组成。当多元醇上的醇与异氰酸酯基反应时，会产生氨基甲酸酯键，也称为氨基甲酸酯。氨基甲酸酯 在自然界中被发现并代谢，包括在血红蛋白和RuBisCo中，因此适合制造可生物降解的聚合物。多元醇可 以通过多种方式配制，影响其生物降解能力。例如，聚酯多元醇是通过二酸和二醇的反应缩合生成酯键而形成的。由于酯键对水解的敏感性，含有酯键的聚合物具有生物降解的潜力，水解可以通过非生物机制或酶促方式发生，这是由于自然界中普遍存在的酯键导致不同酯酶进化的结果。

相反，聚醚多元醇，最典型地来源于石油，在当前的塑料工业中被广泛使用，因为聚合物中的醚键不易被生物降解。因此，衍生自聚醚多元醇 的聚醚聚氨酯在通过破碎过程分解成小颗粒时也可能是微塑料污染的来源。然而，当水解酶活性在聚合物上进行时，含有酯和氨基甲酸酯键的聚酯-聚氨酯聚合物具有快速和完全生物降解的潜力。生物降解的过程和速率取决于聚合物的化学和物理性质，以及聚合物所处的环境条件，因此生物降解或非生物水解只能在特定条件下发生。例如，聚乳酸（PLA）是一种聚酯聚合物，其酯键在高温下易于水解，存在于工业合成设施中，但不存在于海洋环境中。

团队推断， 由环境可生物降解的聚酯聚氨酯产生的微塑料可能会在环境中迅速降解，因此不会在自然环境中持续存在。

为了验证这一假设，研究团队对生物基热塑性聚氨酯（TPU-FC1）进行物理研磨以产生微塑料，并使用多种方法来确认这些微塑料在家庭堆肥条件下的快速生物降解和消失（图1）。

微塑料颗粒的提取和定量表明，TPU-FC1颗粒可在200天内完全降解，而衍生自不可生物降解聚合物乙酸乙酯（EVA）的类似颗粒在相同时间内没有显示出颗粒数量的减少。

在相同的堆肥条件下，通过呼吸测定法跟踪CO ₂ 的产生，进一步证实了TPU-FC1颗粒的生物降解和矿化。为了确定负责这种生物降解的生物体，使用了TPU-FC1作为唯一的碳和能源进行微生物富集。从这些富集物中，分离出一种属于红球菌属的菌株，该菌株仅在TPU-FC1上快速生长。使用这种红球菌菌株的饲养研究表明，它可以将TPU-FC1材料解聚成起始单体，这些单体可以被红球菌和其他微生物快速消耗。

图1 微塑料在家庭堆肥条件下的快速生物降解和消失多种确认方法

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生物基热塑性聚氨酯 材料 未来可应用于棉布和注塑手机壳

经团队研究， 柔软的 TPU-FC1在织物涂层中具有防水和/或密封的良好性能。 TPU材料也可以注射成型以形成塑料产品，例如手机壳。

为了在合理的实际应用中测试这些 TPU的生物降解性，团队 使用类似的 TPU配方生产了TPU-FC涂层的 棉布和注塑手机壳 。配方使用相同定量的多元醇，以 芳香族异氰酸酯代替 TPU-FC1的脂族异氰酸酯，并在相同测定条件下将这些材料在堆肥中孵育。

与未堆肥相比 （图2） ，这些不同材料的降解程度是完全不同的： 涂层织物（图 2A，B）迅速生物降解，留下的织物经堆肥仅两周后， 从堆肥中取出时很容易破碎（图 2B）。相比之下，未堆肥的对照组TPU涂层织物则保持了完整性和耐撕裂性 。与堆肥培育前的手机壳相比（图 2D）， 经过一年的堆肥培育，注塑手机壳变得易碎，并显示出变色、生物膜形成、开裂和结构退化的迹象（图 2C）。

图2 注塑手机壳生物降解性对比

扫描电子显微镜进一步证实了这些产物的生物降解和整体结构变化。虽然未堆肥的对照 TPU涂覆的织物显示出TPU涂层的存在掩盖了下面的纤维棉材料（图3c），但堆肥两周的TPU涂覆织物是从与图3b和图2b 中的对照样品相同的较大的 TPU涂层织物上切下的，其显示出了TPU涂层的明显损失，揭开了下面的织物（图3a）。残留的涂层也有显著的开裂和降解，以及微生物生物膜的积累（图3b）。

注塑手机壳也得到了类似的结果： 在堆肥中放置 12个月后，材料表面出现了类似的开裂和裂缝形成迹象（图3d），而堆肥培养前材料表面不存在这些迹象（图3f）。与涂层织物一样，在TPU材料的表面上很容易观察到微生物生物膜（图3e）。

图3 注塑手机壳生物降解和整体结构变化：（a，b）在堆肥中培养2周后的TPU涂层织物。（c） 未放置在堆肥中的TPU涂层织物的对照图像。（d，e）在堆肥中培养12个月后的注塑TPU手机壳。（f） 放置在堆肥中之前，注塑TPU手机壳的控制图像。

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参考链接：https://www.nature.com/articles/s41598-024-56492-6#MOESM1、https://www.azom.com/news.aspx?newsID=62752