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喝奶茶:用木吸管代替纸吸管?

先摆明态度:我是支持限塑令的(防止友军的误伤)。


“喂!三点几,饮茶先啦……”前几天,我和我的朋友小胖一起去买奶茶,顺道摸个鱼。店里的小姐姐递过来做好的奶茶时,不出意外地,还有两根纸吸管。我将吸管用力地插向杯口的塑封膜,常言道大力出奇迹,奇迹的确发生了,吸管折弯,奶茶脱手,摔破的纸杯和撒出的奶茶在地上涂抹出一个动态的后现代图案。小胖站在一旁默不作声,从口袋里掏出一支笔,缓缓地在塑封膜上戳了一个小洞,然后将纸吸管顺着洞口插入纸杯。我一边看着他喝奶茶,一边走回实验室。走到门口,我突然问了句,你感觉纸吸管怎么样?小胖说,稍等,我一会进屋给你画一张图。

图片来源:小胖


从塑料吸管到纸质吸管的进化,让环境保护的绿光照耀到了奶茶重度上瘾者的头上。硬度不够难以扎破塑封膜,喝奶茶时总有一种在吃纸的感觉,喝到一半吸管会变软变弯,在热水中更会快速解体……真没想到,一根纸吸管,年纪轻轻,就不行了。在许多原教旨主义奶茶信徒的眼中,纸吸管是珍珠和芋圆的克星,更成为了21世纪最反人类的发明。

图片来源于网络


限塑的重要性不用多说。在过去50年中,塑料的使用量迅速增加,全球每年的生产量已达到4亿吨 [1]然而,高耐久性也使得塑料成为世界上最大的环境问题之一。1950年至2015年间,只有约9%的废塑料得到了回收,多达79%的塑料被填埋和丢弃,在自然环境中积累 [2]2019年,中国塑料制品产量也累计达8184万吨,其中塑料吸管3万吨,尽管仅占塑料占总产量的0.036%,但规模可以达到460亿根,人均使用量超过30根 [3]


1950至2015年间,全球生产塑料的命运(单位:百万吨)。图片来源:Sci. Adv. [2]


随着“史上最严限塑令”《关于进一步加强塑料污染治理的意见》的执行,超市中的PE塑料袋变成了聚乳酸(PLA)材质,纸吸管和PLA吸管也成为奶茶店主流的替代方案。一些头部品牌使用的PLA吸管,由玉米、马铃薯等可再生植物资源所提取的淀粉为原料制备而成,在使用体验上与塑料接近。不过PLA吸管的成本高于纸吸管,保质期较短,半年左右性能下降,并且同样对热饮不耐受,承受温度不能超过55 ℃,比纸吸管还差。

塑料、PLA、纸吸管。图片来源于网络


那,还有没有其他的替代方案呢?美国马里兰大学帕克分校胡良兵教授和李腾教授提出了一个可行的替代方案,熟悉这两位老师工作的读者看到这里,脑子里估计会立马蹦出“木头”这两个字。还真没猜错,就是“木头”。


2020年,该团队提出采用纤维素制备吸管 [1],因其在自然界含量丰富、成本低且容易降解。木质素,作为植物中运输营养物质的通道,具有一定的疏水性和机械强度。近日,他们又提出将二者结合起来,或许可以生产出塑料吸管的完美替代品——“木吸管”[4]

“木吸管”示意图、照片及性能。图片来源:Small [4]


研究者将~74 wt%的纤维素和~26 wt%的木质素粉末均匀混合,压制成厚度为~300 µm的薄膜。然后在150 ℃的烘箱中加热,由于纤维素分子链和木质素中含有丰富的羟基,干燥时二者之间容易形成氢键,木质素渗入纤维素的孔隙,形成致密的结构,无需额外的添加剂。

纤维素膜、烘焙前后纤维素-木质素膜。图片来源:Small [4]


吸管机械强度及在水中是否容易弯曲,是用户体验的关键。烘烤后的“木吸管”抗折强度为10.6 ± 1.0 MPa,比市售的普通塑料吸管(6.9 ± 0.8 MPa)还要高出~40%,干燥时的拉伸强度为75.2 MPa。在水中浸泡半小时后,吸水的部分基本不高于容器中的水位,湿拉伸强度仍保持为30.4 MPa,是相同条件下市售纸吸管强度的约22倍。“木吸管”的硬度(2.82 GPa)也是几种吸管中最高的,是市售塑料吸管(0.81 GPa)的约2.5倍,再也不用担心扎不透塑封膜了。

干态与湿态下力学性能测试。图片来源:Small [4]


当然,原料的生物质来源特性也赋予了“木吸管”自然的降解性。在自然环境下放置100天后,“木吸管”降解明显,表面产生空洞和腐烂。相比之下,市售塑料吸管没有任何降解的迹象。不过这也意味着在“木吸管”商业化过程中,需要选择适当的生产和储存条件,以避免霉变。

自然降解实验。图片来源:Small [4]


再强调一遍,我是支持国家“限塑令”政策的,保护生态环境就是保护我们自己。未来,环保一定会成为奶茶行业,甚至整个消费品行业的大趋势,一些头部品牌,已经开始在环保上做“战略性布局”。大到工业设备,小到一根吸管,我们一定可以一起找到破解难题的最优解。不过,在彻底找到好用的吸管之前,或许,纸吸管可以帮我戒掉一部分奶茶先。


参考文献:

[1] X. Wang, et al. All-Natural, Degradable, Rolled-Up Straws Based on Cellulose Micro- and Nano-Hybrid Fibers. Adv. Funct. Mater.202030, 1910417. Doi: 10.1002/adfm.201910417

[2] R. Geyer, et al. Production, Use, and Fate of all Plastics ever Made. Sci. Adv., 20173, e1700782. DOI: 10.1126/sciadv.1700782

[3] 央视新闻:塑料吸管年底禁用 成本和使用体验是待解难题

http://m.news.cctv.com/2020/07/13/ARTIDZdqkfWHyiTSZtjdNJgd200713.shtml   

[4] X. Wang, et al. Strong, Hydrostable, and Degradable Straws Based on Cellulose-Lignin Reinforced Composites. Small202117, 2008011. DOI: 10.1002/smll.202008011


导师介绍

胡良兵

https://www.x-mol.com/university/faculty/35057 


(本文由小希供稿)


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