开发与表征一种基于竹纤维的、无塑料复合材料及其生物降解性能

《Journal of Natural Fibers》：Development and Characterization of a Bamboo Fiber–Based Plastic-Free Composite with Biodegradation Performance

　　摘要
基于天然纖維的複合材料源自可再生資源，作爲石油基塑料的可持续替代品正受到越來越多的關注，尤其是在一次性及短壽命應用領域。然而，綜合評估其機械性能、生物降解效率和生態毒理學安全性的研究仍然有限，特別是對於完全不含石化成分或聚乳酸 (PLA) 成分的無塑系統。在本研究中，使用澱粉和植物基黏合劑開發出了一種完全無塑的竹纖維複合材料。該材料擁有適合製造吸管的穩定結構性能，抗拉強度達 21.6?MPa，抗衝擊性亦令人滿意。在標準化有氧堆肥條件下 (ISO 14855)，該複合材料在 360 天內實現了 86.4?±?1.2% 的生物降解率。土壤埋藏試驗進一步證明了其快速降解特性，在 28 天內質量損失達 86%。蚯蚓 (Eisenia fetida) 毒性試驗顯示無急性不良影響，存活率達 100?±?0%，且生物量無顯著減少。通過在統一框架下整合機械特性分析、生物降解分析及生態毒理學評估，本研究表明完全無塑的竹基複合材料作爲一次性食品接觸應用的永續替代品具有可行性。

**關鍵詞**: 竹纖維複合材料；可生物降解材料；生態毒性；土壤降解；永續材料；無塑

**引言**
一次性塑料吸管因其短壽命和自然降解阻力而被認為是持續環境污染的重要來源。爲此，研究人员引入了多种可生物降解的替代品，其中聚乳酸 (PLA) 和紙基吸管較為常見。然而，PLA 基產品通常需要工業堆肥條件（如高溫和恆定溼度）才能有效降解，在自然土壤或水環境中通常難以降解（Ding 和 Luo, 2021; Jambeck 等, 2015）。雖然紙基吸管無塑，但其機械穩定性不足，使用過程中易損壞，限制了其實用性能（Song 等, 2009）。這些限制突顯了對既完全無塑又能夠在自然環境中有效降解的替代材料的需求。

**竹纖維與植物基複合材料**
來自可再生生物质的天然纖維作爲石油基塑料的可持续替代品受到關注，竹纖維尤其具有優勢，因其生長速度快、纖維素含量高且機械性能良好（He, Xu, 和 Chen, 2016; X. Li 等, 2020）。先前的研究證明，將竹纖維加入複合材料中可提高剛度、強度及熱穩定性，同時降低環境影響（Faruk 等, 2012; Jawaid 和 Abdul Khalil, 2011; Okubo, Fujii, 和 Yamashita, 2004）。除了竹纖維，還有利用澱粉、纖維素和天然樹膠的其他植物基複合材料被探索用於可生物降解應用，如包裝、餐具和農產品（Averous 和 Boquillon, 2004; Mohanty, Misra, 和 Drzal, 2002）。儘管有這些進展，但許多報告的系統仍依賴可生物降解聚合物或化學添加劑，這會影響其降解行爲並引起生態兼容性的疑慮。近期研究逐漸探索在綠色化學和可持續材料工程框架內開發天然纖維增強複合材料。例如，Pattnaik 等 (2025) 报告了草纖維增強複合材料的優異物理機械性能和更高的可持續性；Behera 等 (2025a) 闡述了竹纖維素在環境友好型應用中的價值；更廣泛的綜述討論了將 lignocellulosic 生物質轉換爲綠色複合材料的未來發展路径（Behera 等, 2025b）。雖然也有研究關注吸管/PLA/PBAT 複合系統的機械增強和加工優化（Feng 等, 2020），但最近关于生物基吸管替代品的研究則 lebih 關注環境性能和消費者視角（Liang 等, 2023）。然而，大部分現有研究獨立討論機械性能提升、材料改性和環境評估。綜合考慮結構性能、生物降解行為及生態毒理學安全性的評估（特別是對於完全無塑的竹纖維系統）仍顯不足。

**研究空白：無塑複合材料與環境安全評估**
雖然已有大量關於可生物降解聚合物和纖維增強複合材料的研究，但專門針對完全無塑竹基複合材料的系統性研究仍較少。大多數研究僅關注機械性能或加工效果，而使用標準化試驗方法評估生態毒理學安全性和土壤生物降解行為的案例較少（Shah 等, 2008; ASTM E1676-12, 2012）。缺乏結合材料配方、生物降解動力和對土壤生物影響的綜合評估，限制了對竹基材料環境性能的全面理解。因此，亟需在統一實驗框架內同時考慮材料功能和環境安全性的研究。

**本研究目標與新穎性**
本研究旨在開發完全無塑的竹基纖維複合材料，并使用標準化實驗方法系統評估其環境適用性。該複合材料僅由竹纖維粉和天然植物基黏合劑製備，不含有機基聚合物。選用飲用吸管作爲代表性的應用來驗證材料性能。本研究的創新之處在於結合使用蚯蚓 (Eisenia fetida) 毒性試驗和土壤埋藏重量損失方法進行環境毒理評估，並符合國際標準。通過將材料開發與環境安全評估相結合，本研究旨在提供科學證據，支持竹基複合材料作爲傳統一次性塑料產品可持續替代品的可行性。

**材料與方法**
**原料**
本研究中主要使用竹纖維粉作爲增強材料。竹纖維來自臺灣採摘的成熟竹茎，經機械處理成粉末狀，並過篩獲得約 100–300?μm 尺寸的顆粒，確保在複合基體中均勻分散。在製備複合材料前，將竹纖維粉在 80°C 下烘乾 24?小時以去除殘餘水分。使用的澱粉和植物基黏合劑均為市售食品級產品，不含任何石化基聚合物或合成塑料。

**複合材料配方**
本研究探討了一種代表性的竹基纖維複合材料配方。複合材料以竹纖維粉作爲增強相，並加入澱粉和植物基黏合劑作爲基體成分。配方範圍符合相關專利中的披露內容。雖然具體的工業化比例屬於企業機密，但報告的範圍確保了研究的科學透明度和可複製性。所有用於機械評價、環境毒理測試和生物降解評估的樣品均來自同一批生產批次。複合材料中的竹纖維含量符合植物纖維增強可生物降解複合材料的常見範圍（Faruk 等, 2012; X. Li 等, 2020; Mohanty, Misra, 和 Drzal, 2005），在保持生物降解性的同時提供足夠的結構完整度。基體成分的選擇旨在確保纖維間的充分界面結合，並促進在土壤條件下的微生物降解。這種固定的配方方法保證了本研究中實驗結果的一致性和可複製性。

**製造過程**
竹基纖維吸管的製造包括物料混合、造粒和管體擠出（見圖 1 和 2）。圖 1 簡化了複合材料製備和吸管製造過程。死亡率及相对平均体重通过与对照组比较来计算，以评估该复合材料的潜在生态毒性效应。选择红蚯蚓（Eisenia fetida）作为代表性测试生物，因为它是在标准化土壤生态毒性评估中最广泛采用的物种，并且ASTM E1676标准中明确推荐使用。

### 蚯蚓土壤测试的实验程序概述

#### 准备
根据ASTM E1676指南制备了人工堆肥土壤，并用作对照介质。测试堆肥通过在预设浓度下加入基于竹子的纤维复合材料来制成。所有堆肥在测试前均进行了匀质化和处理。健康的成年红蚯蚓（体重相似）在实验室条件下适应后进行暴露实验。

#### 暴露
生态毒性测试每个条件重复进行四次，每次每个重复使用10条蚯蚓（每组n=40条）。测试堆肥和对照堆肥放置在对温度和湿度有控制的容器中。蚯蚓被放入堆肥基质中，并在28天内暴露，期间不提供额外食物。

#### 观察
在暴露期间，定期监测蚯蚓的存活情况和一般行为。通过视觉检查识别异常反应，如活动减少、避免接触表面或物理损伤。测试期结束后，小心地将存活的蚯蚓从堆肥中取出，清洗以去除附着的土壤，然后准备测量体重。

#### 终点评估
根据蚯蚓的死亡率和与对照组的相对平均体重来评估生态毒性效应。结果用于根据ASTM E1676和ISO 11268–1规定的有效性标准，评估该基于竹子的纤维复合材料在测试条件下的潜在急性土壤毒性。

### 生物降解测试（土壤掩埋重量损失法）
#### 好氧堆肥测试（呼吸计量法）
使用基于二氧化碳产生的标准化呼吸计量法，在受控堆肥条件下评估了基于竹子的纤维复合材料的最终好氧生物降解性。测试按照ISO 14855–1和ASTM D5338标准进行，通过连续监测微生物矿化过程中的二氧化碳产生量来确定生物降解情况。装有复合材料的测试容器在27±2°C下培养，最长时间为360天。包含一种参考材料（纤维素）以验证堆肥条件的有效性。生物降解率计算为从测试材料中释放的累积二氧化碳百分比与理论最大二氧化碳产生量（ThCO2）的比值。测试重复进行三次（n=3）。该方法提供了在受控好氧堆肥条件下的最终生物降解性评估，并允许与标准化参考材料进行比较。

#### 土壤掩埋重量损失测试
除了呼吸计量法堆肥分析外，还使用土壤掩埋重量损失法来评估短期降解行为，以模拟自然土壤暴露条件。将秸秆样品干燥至恒定重量（W0），然后掩埋在维持在25±2°C和大约60%湿度的自然土壤中。在预定时间间隔（7天、14天、21天和28天）取出样品，清洁后干燥至恒定重量（Wt）并称重。生物降解率基于相对重量损失计算，使用公式：
**生物降解率% = (W0 - Wt) / W0 × 100**（1）

### 结果分析
本研究使用了重量损失法评估生物降解情况，该方法假设材料在土壤或堆肥环境中经历微生物降解时，其残留重量会随时间减少。通过比较初始重量和剩余重量可以计算生物降解率。

虽然呼吸计量法测试评估了标准化堆肥条件下的最终矿化情况，但土壤掩埋法提供了土壤环境中分解行为的实际评估。结合这两种方法可以互补地评估材料的环保降解性能。

本研究使用FTIR分析（ATR模式，4000–400 cm?1）来研究竹纤维和淀粉基质之间的可能化学相互作用。

### 复合材料的质量一致性
在生态毒性和生物降解测试之前，对基于竹子的纤维复合材料样品进行了热变形、含水量和密度评估作为内部质量控制的一部分。所有测试样品均符合预定义的质量标准，在后续实验中未观察到异常的热软化、过度吸水或显著的密度变化。

竹纤维复合颗粒的机械和热性能总结见表2。该材料表现出21.6 MPa的抗拉强度和33.3 MPa的弯曲强度，弯曲模量为1520 MPa，表明其具有适合一次性秸秆应用的足够结构刚性。断裂伸长率为3.5%，反映了纤维增强复合系统的相对刚性。

Izod冲击强度为0.32 kJ/m2，表明具有适中的抗冲击性，适合实际使用。热变形温度（HDT）在4.6 kg/cm2的负载下达到97°C，表明在典型的饮料接触条件下具有足够的热稳定性。此外，24小时吸水率≤0.1%，表明在短期暴露下水分敏感性低。

### 生态毒性结果（蚯蚓土壤测试）
蚯蚓急性毒性测试按照ASTM E1676:2012标准进行。测试是在含有人工土壤（10%泥炭藓、20%高岭土、70%硅砂，pH 7.0±0.5）的2升玻璃反应器中进行的。每个处理包含四个重复实验，每个反应器中有10条红蚯蚓。暴露时间为14天，在受控条件下进行（20±2°C，12小时光照/12小时黑暗周期，400勒克斯）。

使用标准化的蚯蚓土壤毒性测试评估了基于竹子的纤维复合材料的生态毒性效应。蚯蚓存活率和体重变化的结果总结在表3和表4中。

测试每个条件重复进行四次，每次包含10条红蚯蚓，每组总样本量为n=40条。还包括了一个不含测试材料的对照堆肥，并在相同的环境条件下维持。在整个暴露期间，暴露于含有基于竹子的复合材料的堆肥中的蚯蚓未观察到死亡。所有测试组的存活率与对照组相当。此外，在测试期间未观察到异常行为或可见的病理症状。

暴露于测试堆肥中的蚯蚓的体重相对于对照堆肥增加了86.5%至111.7%，满足ASTM E1676和ISO 11268–1规定的有效性标准。这些结果表明，在测试的土壤条件下，基于竹子的复合材料未对红蚯蚓产生急性生态毒性效应。

为了评估本研究开发的竹纤维复合材料对土壤生态系统的影响，根据AS 4736:2006、ISO 17033和prEN 17,427标准进行了蚯蚓存活率和平均体重变化的测试。这些标准规定，测试堆肥与对照堆肥之间的死亡率或平均体重差异不得超过10%，才能认为该材料符合生态安全要求。

如表3和表4所示，当堆肥样品浓度为50%和25%时，蚯蚓的平均存活率分别达到100.0%和102.6%。相对于对照组的平均体重分别为94.3%和111.7%，也符合标准要求。这些结果表明，在较高和较低的浓度条件下，蚯蚓均保持高存活率和稳定的体重，有些甚至优于对照组。

观察结果表明，本研究开发的竹纤维复合材料不仅在堆肥环境中表现出优异的生物降解性，而且不会对土壤生物造成急性毒性或潜在的不良影响。研究结果表明，该材料符合国际生物降解性和堆肥安全标准。

在任何处理组中均未观察到死亡（存活率=100±0%，n=4）。对于50%的堆肥混合物，平均相对重量变化为92.8±6.1%，而25%的堆肥混合物为98.2±5.7%。人工土壤对照组的重量变化为87.0±2.9%。

重复实验之间的变异性保持在中等范围内，未观察到对蚯蚓存活或生物量的统计学上显著的不良影响。

根据Mérieux NutriSciences (CHELAB S.R.L.) 按照ASTM E1676:2012标准进行的测试，本研究开发的竹纤维复合材料对蚯蚓（Eisenia fetida）的存活率和体重没有显著影响。测试结果完全符合标准要求，证实该材料在土壤环境中既无毒性也无生物积累效应。因此，它表现出与土壤生态系统的良好兼容性，进一步支持其作为环保替代材料的可行性。

所有观察到的存活率和相对体重值都满足ASTM E1676和ISO 11268–1规定的有效性标准。

#### 生物降解行为
**堆肥生物降解**
使用基于二氧化碳产生的标准化呼吸计量法在受控堆肥条件下评估了基于竹子的纤维复合材料的好氧生物降解性。测试重复进行三次（n=3），并使用纤维素作为参考材料来验证微生物活性和堆肥条件。在360天的培养期间，复合材料显示出累积二氧化碳产生的逐渐增加，表明持续的微生物矿化。

经过受控堆肥后，基于竹子的复合材料的生物降解率为86.4±1.2%（n=3），而参考纤维素的生物降解率为94.4±1.1%（n=3）。低标准偏差表明重复实验容器之间具有良好的重复性。这些结果表明在标准化堆肥条件下具有显著的最高生物降解性。

**土壤掩埋降解**
除了受控堆肥评估外，还使用土壤掩埋重量损失法评估了短期降解行为，以模拟自然土壤暴露条件。结果总结在表5、表6和表7中。结果表明，干质量随时间逐渐减少。在7天、14天、21天和28天后，重量分别减少了15%、33%、51%和86%。到第28天时，剩余质量降至初始质量的14%，表明在土壤中的快速结构分解。

虽然呼吸计量堆肥测试基于二氧化碳转化来评估最终矿化，但土壤掩埋测试主要评估在模拟自然条件下的物理分解和质量损失。综合结果表明，基于竹子的复合材料不仅在堆肥条件下发生显著矿化，而且在土壤环境中也表现出快速降解行为。

竹纤维秸秆样品的初始重量为10克，不同时间间隔测量剩余重量。观察到的快速重量损失表明在模拟土壤条件下的明显分解行为。

### 环境性能总结
生态毒性和生物降解评估的结果共同表明，基于竹子的纤维复合材料具有良好的环境兼容性。对蚯蚓存活率和体重的无不良影响表明其在土壤环境中的低急性毒性，而在受控堆肥条件下观察到的高生物降解率证实了其生物矿化能力。

综上所述，这些发现支持基于竹子的复合材料作为无塑料材料的适用性，与传统石油基塑料相比具有较低的环境持久性。

**与PLA和纸 Straw 的环境性能比较**
通过与常用的替代品（如聚乳酸（PLA）和纸质 Straw）的比较，可以更好地理解基于竹子的纤维复合材料的环境性能。先前的研究表明，PLA在自然土壤条件下的生物降解性有限，通常需要高温的工业堆肥环境才能实现有效矿化（Haider等人，2019年；Kale等人，2007年）。相比之下，本研究评估的基于竹子的复合材料在受控好氧堆肥条件下的生物降解率为86.4%，表明无需依赖合成聚合物基质即可实现显著的生物降解。

纸质 Straw 虽然不含合成塑料，但使用时常常会迅速失去结构完整性，并可能添加化学添加剂或表面涂层以提高防水性（Van der Harst和Potting，2014年）。这些修改可能会对生物降解行为和环境兼容性产生负面影响。在蚯蚓土壤测试中未观察到有害的生态毒性效应，这表明基于竹子的复合材料不会对土壤生物产生急性毒性，这是比较用于一次性应用的替代材料时的一个关键考虑因素。总体而言，从生物降解行为和土壤生态毒性的角度来看，基于竹子的复合材料表现出与文献中报道的传统可降解秸秆材料相当的环境特性。与传统PLA秸秆相比，后者通常需要工业堆肥条件才能有效降解，而目前的基于竹子的复合材料在控制堆肥和土壤条件下都表现出显著的生物降解能力。该复合材料的可持续性得到了其可再生原材料基础、完全不含塑料的配方以及在堆肥和土壤条件下良好的生物降解性能的支持。不同于可能需要工业堆肥基础设施的石油基塑料和某些可降解聚合物，这种材料在不太受控制的环境中也能够降解。没有急性生态毒性效应进一步证明了其环境兼容性。然而，需要进行全面的生命周期评估（LCA），以便定量比较其碳足迹和环境影响与其他传统材料。

基于竹子的复合材料的可能的降解机制主要归因于其组成成分的天然来源和化学结构。竹纤维富含纤维素和半纤维素，这些成分容易被堆肥环境中常见的微生物酶水解（Pandey等人，2000年；Sun和Tomkinson，2002年）。在有氧堆肥过程中，如纤维素酶和半纤维素酶等微生物酶会切割糖苷键，使聚合物链逐渐分解为更小的、可代谢的单元。测试期间观察到的生物降解速率逐步增加表明存在一个初始适应阶段，随后是持续的微生物活动，这与木质纤维素材料的降解模式一致（Shah等人，2008年）。复合材料基质中不含石化基聚合物，这可能有助于微生物接触可降解的底物，减少了合成或半合成材料中常见的聚合物结晶度或疏水性带来的障碍。此外，对蚯蚓存活和体重的无负面影响表明，堆肥过程中产生的降解副产物对土壤生物没有急性毒性。这一观察结果支持了基于竹子的复合材料的降解途径主要涉及自然生物化学过程的假设，而不是形成持久或有害的中间体。

复合材料组成对其生物降解行为起着关键作用。竹纤维部分提供了一个主要由可降解多糖构成的结构框架，而淀粉和植物来源的胶体则作为基质成分，增强了界面结合并促进了加工过程。淀粉在有氧和厌氧条件下都易于生物降解，有助于早期质量损失并促进微生物定殖（Averous和Boquillon，2004年）。植物来源的粘合剂通常由天然多糖组成，进一步提高了材料的亲水性，使得水分能够渗透并让微生物在整个材料中活动。纤维增强和可降解粘合剂的这种组合可能解释了在延长培养时间后观察到的相对较高的生物降解速率。在先前关于全生物基复合材料的研究中，也报告了类似天然纤维和淀粉基基质之间的协同效应（Faruk等人，2012年；Mohanty、Misra和Drzal，2005年）。尽管本研究没有单独量化每个成分对整个降解过程的精确贡献，但观察到的生物降解性能表明该复合材料配方有效地平衡了结构凝聚力和生物可及性，从而在堆肥条件下实现了显著的矿化作用。

本研究使用FTIR分析来检查竹纤维与淀粉基质之间可能的化学相互作用。宽范围的O-H伸缩带和特征性的多糖峰表明存在氢键相互作用，表明复合系统内界面具有兼容性。

需要承认本研究的几个局限性。首先，生物降解评估是在受控的实验室堆肥条件下进行的，这可能无法完全反映自然土壤或海洋环境中的变化。其次，虽然使用蚯蚓进行的生态毒性评估提供了关于急性土壤毒性的宝贵见解，但它没有捕捉到潜在的长期生态效应或其他营养级的影响。此外，该研究仅关注了一种代表性的复合材料配方，没有系统地探索材料组成或加工参数的变化。未来的工作可以研究纤维含量、粒度和粘合剂组成对生物降解动力学和环境相互作用的影响。尽管存在这些局限性，这些结果为全塑料-free基于竹子的复合材料的环境行为提供了科学依据，并为进一步研究奠定了基础。需要注意的是，本研究仅评估了一种优化的复合材料配方。虽然对多种配方的比较分析可以更深入地了解组成-性能-降解之间的关系，但当前的工作旨在展示优化系统的结构性能和环境兼容性。未来的研究将进一步探讨组成变化对材料性能和生物降解行为的影响。

尽管在14天的暴露条件下未观察到对红赤蚯蚓（Eisenia fetida）的急性毒性效应，但本研究未评估生殖率、长期生长或生化应激反应等长期终点。因此，虽然结果表明了短期的环境兼容性，但仍需要进一步的长期生态毒性评估来全面评估潜在的亚致死生态影响。本研究未包括详细的形态学表征（例如，纤维-基质界面的FESEM分析），这将在未来的研究中进行探讨。

除了实验发现之外，本研究还为关于可持续替代传统塑料基一次性产品的更广泛讨论做出了贡献。与传统PLA秸秆不同，后者通常需要受控的工业堆肥设施才能有效降解，而基于竹子的复合材料在标准化的堆肥和土壤埋藏条件下都表现出显著的降解能力。这种双重降解行为表明其在生命周期末期的应用具有更大的灵活性，特别是在缺乏集中堆肥基础设施的地区。从材料角度来看，完全不含塑料的配方消除了石化聚合物，降低了持久性微塑料残留的风险。观察到的生物降解性能可归因于亲水性的淀粉基质和竹纤维的木质纤维素性质，这些特性有助于微生物定殖和酶促分解。然而，实际应用中的考虑因素，如耐湿性和长时间接触液体时的机械稳定性，对实际饮料使用来说仍然是重要因素。未来的研究应进一步探讨在服务条件下的长期性能和扩展的生态毒性终点，以提供更全面的可持续性评估。本研究中的可持续性定义为可再生资源的利用、不含石化聚合物、在受控和土壤条件下的生物降解能力以及经过验证的生态安全性。虽然未进行定量LCA分析，但现有结果为支持该复合材料的环境兼容性提供了基础证据。

本研究开发了一种完全不含塑料的基于竹子的纤维复合材料，并使用标准化测试方法评估了其环境行为。基于蚯蚓土壤测试的生态毒性评估显示，与对照堆肥相比，该材料对蚯蚓的存活和体重没有不良影响，表明其具有较低的急性土壤毒性。在受控有氧堆肥条件下进行的生物降解实验表明，该复合材料在360天内的平均降解率为86.4%（基于重复测量）。引入参考材料确认了生物降解测试条件的有效性。在本研究的范围内，这些结果提供了关于全生物基竹纤维复合材料生物降解性能和生态毒性兼容性的实验证据。