全球每年生产的塑料超过4亿吨,其中包括购物袋和饮料杯等一次性用品。这些材料在进入环境后很长时间都不会被降解,因此,学术界和产业界都在寻找既能提供与传统塑料相似的物理特性,又能快速生物降解且不会对动植物造成伤害的材料。
据麦姆斯咨询报道,美国特拉华大学(University of Delaware)工程学院材料科学与工程系兼职教授Isao Noda发明、设计并合成了一种基于生物且可生物降解的聚合物替代材料。此后,通过与材料科学与工程系教授John Rabolt持续合作,发现这种聚合物还具有惊人的高压电特性,这意味着它在弯曲或变形时能够产生电能。
这项专利技术的主要发明人Isao Noda和John Rabolt教授:该技术利用可生物降解的生物基聚合物Nodax制造包括传感器和执行器在内的压电器件。
现在,该研究团队已经获得利用这种创新材料制造压电器件的美国专利权。此外,这项成果还在全球多个国家获得了专利权,为其广泛的潜在应用和商业化铺平了道路。
有机压电材料示意图(左)及照片(右),展示了这些材料如何引导电流。
工业规模生产天然聚合物
在宝洁(P&G)担任工业科学家期间,Noda的任务是为一次性尿布和包装寻找一种新型可生物降解的材料。他研究了一类名为聚羟基脂肪酸酯(简称PHA)的聚合物,这是一种由细菌、其它微生物和植物制成的天然聚酯。Noda解释说,问题在于当时已知的PHA太硬太脆,在大多数实际应用中都无法发挥作用。
Noda解释称:“我当时做了大量的光谱特性分析,意识到我们应该能够找到能以特定方式改变PHA分子结构的细菌。对于聚合物烷基侧链,可以是甲基或乙基,它们不容易熔化或加工。但是,当我们把这个侧链延长到三个碳原子,即丙基,甚至更长时,这种材料就突然变得更容易加工,并成为一种可延展、坚韧且有用的聚合物。”
如今,这种商品名为Nodax的可生物降解聚合物由Danimer Scientific公司以工业规模生产,该公司是一家生物技术公司,致力于创造可替代传统塑料的可持续材料。特拉华大学与Danimer Scientific公司保持着持续的合作关系,后者为最近的专利申请提供了支持。
与标准塑料的制造方法不同,Nodax是在大型罐中由细菌利用植物原料制造的。配制好的Nodax聚合物随后可销售给其它公司,用于制造各种终端产品,其生物降解率与纤维素或食物垃圾类似。
Nodax聚合物可用于制造各种终端产品,其生物降解率与纤维素或食物垃圾相似。
Danimer Scientific公司业务开发副总裁Keith A. Edwards表示:“Danimer Scientific公司率先对天然PHA进行商业化生产,为吸管、餐具、纸张涂层、咖啡包和柔性薄膜等多种不同的餐饮和包装应用提供可再生、完全经过认证的生物降解和堆肥材料。”
通过基础研究发现新特性
当然,Nodax生物聚合物规模化生产后,对它的研究并没有停止。2012年,Noda受邀在特拉华大学做了一次演讲后,会见了多年的同事Rabolt,决定将他多年积累的一些材料研究转向支持基础研究。Noda还在2013年至2019年期间担任了Danimer Scientific公司高级副总裁,目前仍是该公司董事会成员,他于2012年加入特拉华大学成为兼职教员。
在后来的研究中,Noda和Rabolt领导的研究团队发现了PHA的更多独特性能,其中包括具有高压电特性的一种材料形态。
Rabolt说:“这是一次卓有成效的跨界合作,团队包括了化学家、流变学家、物理学家,这种专业组合恰到好处,从而能够理解这类独特材料,并对其进行不同的处理和利用。”
他们的这一发现促使特拉华大学经济创新与合作办公室(OEIP)在2019年申请了一项专利,该专利将Nodax作为一种制造压电器件的生物可降解聚合物。该专利已于今年早些时候获得授权,其发明人包括Noda和Rabolt。
“特拉华大学与Danimer Scientific公司的合作成果令人兴奋,它有望带来一连串的效益连锁反应。”OEIP副总Julius Korley说,“随着厂商将Nodax应用于对公众有用的器件,专利使用费将返还到特拉华大学,以奖励我们的发明家,并进一步投资于研究和创新,同时让我们的学生学会成为创新者。”
释放新型压电聚合物的潜力
Nodax具有很高的压电特性,这意味着它望应用于传感器或执行器。Nodax还可以替代聚偏二氟乙烯(PVDF),后者是一种由全氟和多氟烷基物质(PFAS)制成的常见压电材料。PFAS不易分解,某些类型已被证明会在环境和人们身体中积累。
混合“纳米发电机”材料示例(左),可在驱动下生成电压测量(右)。
尽管这种材料仍处于早期开发阶段,但在基础研究和潜在应用方面开展进一步研究的可能性令Noda感到兴奋。他说:“我们希望发现更多尚未被探索的特性,了解如何更好地制造这种材料,并使加工过程适应工业规模,总之,我们要继续进行基础研究,这将有助于其它厂商的未来应用。”
“有趣的是,随着时间的推移,我们还可以进行更多不同的尝试,或许能够开发这种材料的铁电或热电性能,诸如此类。”Rabolt补充道,“对于这种新材料,我们还只打开了冰山一角。”
Danimer Scientific公司已经在跟合作伙伴合作,利用Nodax生产纺织纤维,以取代PET和聚丙烯等传统材料。现在有机会扩展到压电纤维应用领域,这是一个令人兴奋的发展方向。
Danimer Scientific公司业务开发副总裁Keith A. Edwards说:“PHA作为一种更完美的聚合物,在很多领域的应用已近在眼前,Danimer与优秀的合作伙伴特拉华大学一起开创了新的生物技术解决方案。”
织物压电材料的显微镜图像(右),相应的三维剖面示意图(左)。
审核编辑:刘清
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原文标题:可生物降解的聚合物压电纤维,解锁更多传感和能量收集应用
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