丝绸是一些微塑料的替代品

系统集成洞见

• 微塑料被许多人认为是一种污染威胁，目前正在大力寻找不会污染环境、动物和人类的替代品。问题是在很多情况下没有可行的替代方案。
• 麻省理工学院的研究人员发现了一种潜在的解决方案，使用一种基于丝绸的系统，这种系统被认为是安全的食品或医疗用途，而且这种替代品广泛可用。
• 虽然它可能被广泛使用，但推动这一变化并使其普及将是说起来容易做起来难。欧盟等组织可能正在推动这一改变，但这只是更大范围讨论中的一步。

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微塑料，即现在在世界各地的空气、水和土壤中发现的塑料微粒，越来越被认为是严重的污染威胁，在世界各地的动物和人类的血液中都有发现。

其中一些微塑料被故意添加到各种产品中，包括农用化学品、油漆、化妆品和洗涤剂——据欧洲化学品局估计，仅在欧盟，每年就有5万吨微塑料被添加到产品中。欧盟已经宣布，到2025年必须消除这些添加的、不可生物降解的微塑料，因此正在寻找合适的替代品，但目前还不存在。

现在，麻省理工学院和其他地方的一组科学家开发了一种基于丝绸的系统，可以提供一种廉价且易于制造的替代品。新的流程是在一篇论文中描述在杂志中小由麻省理工学院博士后刘慕春、麻省理工学院土木与环境工程教授马雷利(Benedetto Marelli)以及德国和美国化工公司巴斯夫(BASF)的另外五人共同撰写

在工业产品中广泛使用的微塑料通常可以保护某些特定的活性成分(或成分)不因暴露在空气或湿气中而降解，直到需要它们的时候。它们在目标时间内缓慢释放活性成分，并最大限度地减少对周围环境的不利影响。例如，维生素通常以微胶囊的形式被包装成药丸或胶囊，杀虫剂和除草剂也类似地被包裹起来。但目前用于这种微胶囊化的材料是塑料，可以在环境中存留很长时间。到目前为止，还没有一种实用的、经济的、可以自然生物降解的替代品。

环境微塑料的大部分负担来自其他来源，例如瓶子和包装等较大塑料物体随着时间的推移而降解，以及汽车轮胎的磨损。马瑞利说，每一种来源都可能需要自己的解决方案来减少其传播。他说，欧洲化学品管理局估计，故意添加的微塑料约占环境中总量的10-15%，但使用这种基于自然的可生物降解替代品，这一来源可能相对容易解决。

“我们不能用一种适合所有微塑料的解决方案来解决整个微塑料问题，”他说。“一个大数字的10%仍然是一个大数字。我们将以百分之一的速度解决全球气候变化和污染问题。”

蚕丝蛋白的好处

刘说，与用于高级织物的高质量丝线不同，这种新替代材料中使用的丝蛋白是现成的，而且更便宜。虽然蚕茧必须精心解开才能产生织物所需的细线，但在这种用途下，可以使用非纺织品质量的蚕茧，并且可以使用可扩展的水基工艺简单地溶解蚕丝纤维。该工艺非常简单，可调，所产生的材料可以适应现有的制造设备，有可能利用现有工厂提供简单的“drop in”解决方案。

丝绸被认为是安全的食品或医疗用途，因为它是无毒的，在人体内自然降解。在实验室测试中，研究人员证明，这种基于丝绸的涂层材料可以用于现有的标准喷雾制造设备，以制造标准的水溶性微囊化除草剂产品，然后在温室里对玉米作物进行测试。刘说，测试表明，它比现有的商业产品效果更好，对植物的损害更小。

虽然其他研究小组提出了可降解的封装材料，可以在小型实验室规模下工作，但Marelli说:“我们非常需要实现高含量活性物质的封装，以打开商业用途的大门。产生影响的唯一方法是，我们不仅可以用可生物降解的对应物取代合成聚合物，而且还可以实现相同或更好的性能。”

刘解释说，使这种材料与现有设备兼容的秘密在于丝绸材料的可调性。通过精确地调整丝绸材料的聚合物链排列和添加表面活性剂，一旦涂层变干变硬，就有可能微调其性能。这种材料可以是疏水的(拒水的)，即使它是在水溶液中制造和加工的，它也可以是亲水的(吸水的)，或者介于两者之间，对于给定的应用，它可以被制作成与它被用来取代的材料的特性相匹配。

为了找到一个实用的解决方案，刘必须开发一种方法，在封装材料的形成过程中冻结形成液滴，以详细研究形成过程。她使用一种特殊的喷雾冷冻系统来做到这一点，并能够准确地观察封装是如何工作的，以便更好地控制它。一些被封装的“有效载荷”材料，无论是农药、营养物质还是酶，都是水溶性的，有些则不是，它们与涂层材料的相互作用方式不同。

她说:“为了封装不同的材料，我们必须研究聚合物链是如何相互作用的，以及它们是否与悬浮中的不同活性材料兼容。”载荷材料和涂层材料在溶液中混合在一起，然后喷涂。随着液滴的形成，负载倾向于嵌入涂层材料的外壳中，无论是原始的合成塑料还是新的丝绸材料。

刘说，这种新方法可以利用不能用于面料的低质丝绸，目前大量的低质丝绸由于没有重大用途而被丢弃。它还可以使用使用过的废弃丝绸织物，将这些材料从垃圾填埋场中转移出来。

马瑞利说，目前全球90%的丝绸生产是在中国进行的，但这主要是因为中国已经完善了面料所需的高质量丝线的生产。但他说，由于这种工艺使用的是散装丝绸，不需要那种质量水平，如果这种工艺得到广泛应用，世界其他地区可以很容易地提高产量，以满足当地的需求。

“这项优雅而巧妙的研究描述了一种可持续的、可生物降解的丝绸基微塑料胶囊的替代品，这是一个紧迫的环境挑战，”加州大学欧文分校化学和生物分子工程学副教授阿隆·戈罗德斯基说，他没有参与这项研究。“所描述材料的模块化和制造过程的可扩展性是关键优势，预示着将很好地转化为现实应用。”

康涅狄格农业试验站(Connecticut Agricultural Experiment Station)主任杰森·怀特(Jason White)说，这一过程“代表了一系列行业，尤其是农业，在活性成分输送方面可能取得的重大进展”，他也没有参与这项工作。“鉴于当前和未来与粮食不安全、农业生产和气候变化相关的挑战，我们非常需要这样的新战略。”

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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