废棉增强玉米马铃薯淀粉基可持续生物塑料的制备及其在环保包装材料中的应用

为解决传统塑料不可降解造成的环境污染问题，研究人员开发了一种由废棉纤维增强的玉米/马铃薯淀粉基生物塑料。通过压缩成型技术制备的样品展现出优异的物理性能（厚度1.8 mm，溶解度41.43%）和机械强度（拉伸强度2.80 MPa），FTIR和XRD证实了淀粉与纤维素的成功复合。35天土壤降解实验显示76%的失重率，MMP测试表明其防水特性，为替代传统塑料包装提供了环保解决方案。

　　

塑料污染已成为全球性环境危机，传统石油基塑料因不可降解性长期滞留自然环境，仅孟加拉国每年就产生80万吨塑料垃圾，其中90%未被妥善处理。与此同时，纺织行业每年产生400万吨废棉纤维，农业副产物如玉米和马铃薯淀粉因高可再生性备受关注。如何将这两种废弃物转化为高性能生物塑料，成为解决“白色污染”和资源循环利用的关键突破口。

研究人员通过压缩成型技术，将废棉纤维与玉米/马铃薯淀粉复合，制备了三组不同配比的生物塑料（BP1-BP3）。采用厚度测试、溶解度分析、吸水率测定评估物理性能；通过万能材料试验机（UTM）测定拉伸强度；利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）解析化学结构与结晶度；土壤埋藏实验量化降解率；水分管理测试仪（MMT）评估防水性。

3.1 厚度与溶解度

BP1-BP3的厚度随棉纤维含量减少从2.2 mm降至1.8 mm，而溶解度从9.34%升至41.43%，表明棉纤维通过氢键网络增强结构稳定性。

3.2 吸水性能

BP1因棉纤维羟基（-OH）的亲水性表现出最高吸水率（21.51%），但所有样品120小时后均达饱和，符合包装材料需求。

3.3 机械性能

BP1展现最优综合性能：拉伸强度2.80 MPa（优于纯淀粉薄膜的0.56 MPa）、模量17 MPa，归因于棉纤维的负载传递作用；而BP3的断裂伸长率31.55%显示柔性潜力。

3.4 FTIR分析

3309.85 cm^-1处的-OH伸缩振动峰证实纤维素与淀粉的氢键结合，2931.80 cm^-1的-CH峰及1641.3 cm^-1的β-链接揭示非晶区增加。

3.5 XRD表征

棉纤维原始结晶峰（220）强度降低，生物塑料结晶度指数从78%降至38%-42%，说明加工过程中纤维素微结构重组。

3.6 土壤降解

35天内76%的失重率远超单一淀粉基材料（50%-60%），微生物优先分解淀粉组分，棉纤维提供长期降解潜力。

3.7 防水特性

BP2的底部润湿时间达120秒，累积单向传输指数（AOTI）为-221.24%，证实其防水能力适用于潮湿环境包装。

该研究通过废弃物高值化利用，开发出兼具力学强度（2.80 MPa）与快速降解（76%/35天）的生物塑料，其性能超越既往单一淀粉基材料。特别是FTIR与XRD揭示了纤维素-淀粉的分子协同机制，而MMP测试为防水包装设计提供依据。尽管高棉纤维含量（BP1）导致21.5%吸水率，但通过配方调整可平衡强度与耐水性。成果发表于《Sustainable Chemistry for Energy Materials》，为替代聚乙烯（LDPE/HDPE）包装提供了可规模化生产的解决方案，同时推动纺织与农业废弃物的循环经济模式。未来可探索该材料在农用地膜、育苗盆等领域的应用潜力。