马里兰大学李腾教授课题组与胡良兵教授课题组合作：基于纤维素-木质素增强复合物的一种高强度、水稳定、易降解的吸管

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全球每年生产超过3亿吨塑料，但是只有大约2％的塑料被回收利用。塑料吸管被广泛使用、体积小，回收价值低，几乎从没被回收。然而使用寿命仅一次的塑料吸管，填埋降却需要几百年。塑料吸管的大量使用所带来的日益严重的环境问题不可忽视。目前市面上作为塑料吸管的替代品多为纸吸管，但纸吸管有水稳定性差，防水蜡层的成本高，使用感差等缺点。

近期，美国马里兰大学李腾教授课题组与胡良兵教授课题组合作，受天然木材中纤维素和木质素的材料性能增强原理的启发，开发了高度水稳定的纤维素-木质素增强复合吸管。由交联的苯基丙烷单元构成的木质素作为一种天然可降解的粘合剂，将纤维素纤维保持/结合在一起，形成坚固而坚韧的木材基质，并赋予材料优异的疏水性能。该材料中所有原料均来自天然产物，成本低廉，可自然降解。该成果以Strong, Hydro-Stable and Degradable Straws Based on Cellulose-Lignin Reinforced Composites 为论文题目发表在Small (DOI: 10.1002/smll.202008011) 上。

研究者把从市面获得的廉价的纤维素微纤维，纳米纤维和木质素重新构建，制得以74 wt％的纤维素和26 wt％的木质素混合的湿纸幅。吸管由湿纸幅卷制，并在150ºC的烤箱中烘烤，使木质素均匀渗入纤维素纤维的孔中。与纸和塑料相比，纤维素-木质素增强复合材料具有更高的水稳定性和生物降解性。

图1. (a)受天然植物启发的纤维素-木质素复合材料的示意图。(b)纤维素-木质素增强复合吸管。(c)对比纸张、塑料及纤维素-木质素增强复合吸管的水稳定性及可降解性 。

纤维素-木质素增强复合膜中的纳米纤维填充了相邻微纤维的孔隙，加热诱导的木质素熔化后形成覆盖和互连纤维素纤维的渗滤网络，从而形成紧密堆积的固体膜。加热诱导过程不会破环纤维结构，纤维素-木质素增强复合秸秆仍可承受严重的弯曲变形。与纤维素膜、纤维素-木质素复合膜及聚丙烯塑料相比，纤维素-木质素增强复合膜具有更优异的力学性能。自然降解实验表明纤维素-木质素增强复合吸管具有优异的可降解性。吸水实验表明，纤维素-木质素增强复合吸管中疏水性木质素颗粒增强了吸管的疏水性，降低了水分在吸管中的浸润速度，并使材料具有更优异的湿强度。

纤维素-木质素增强复合吸管所展现出的各项性能明显优于当前的商用纸吸管，并且与商用塑料吸管相当。以低成本的可持续的生物质材料为基础构建的纤维素-木质素增强复合吸管可实现大规模生产，是对环境产生负面影响的石油衍生的塑料产品的一个更有效的替代产品。

图2. (a-f)纤维素膜、纤维素-木质素复合膜及纤维素-木质素增强复合膜的表面及截面的扫描电镜图。(g-i)纤维素膜、纤维素-木质素复合膜及纤维素-木质素增强复合膜的结构示意图。(j-l)纤维素膜、纤维素-木质素复合膜及纤维素-木质素增强复合膜的XRD、FTIR和UV透过研究结果。

图3. (a-d) 纤维素、纤维素-木质素复合膜、纤维素-木质素增强复合膜及聚丙烯塑料的力学性能对比。(e) 纤维素-木质素增强复合膜及聚丙烯塑料的自然降解性能对比。

图4. (a) 浸没在水中的纤维素吸管、纤维素-木质素复合吸管、纤维素-木质素增强复合吸管。(b-c) 表面接触角测试结果。(d-e) 纤维素、纤维素-木质素复合膜、纤维素-木质素增强复合膜的湿力学性能及吸水性能。

论文信息：

Strong, Hydro-Stable and Degradable Straws Based on Cellulose-Lignin Reinforced Composites, Small (2021)

https://doi.org/10.1002/smll.202008011

作者简介：

马里兰大学李腾教授团队（http://lit.umd.edu/）专注于高性能可持续材料、软材料、低维纳米材料、原子尺度催化剂、能源存储材料等的设计与开发，相关研究成果发表在Nature, Science, Nature Review Materials, Nature Nanotechnology, PNAS, PRL, JACS, Advanced Materials, Materials Today, Advanced Energy Materials 等国际顶级期刊，并于2018年荣获被誉为“国际发明创造奥斯卡”的R&D100大奖，以及2019年马里兰大学年度发明奖（物理科学领域）。李腾教授现任马里兰大学先进可持续材料与技术实验室主任，Extreme Mechanics Letters副主编，荣获国际工程科学学会青年科学家奖章（2016）。李腾教授在2006年和哈佛大学锁志刚教授共同发起创建iMechanica.org,目前已经成为国际力学领域用户最多的网络资源平台。

李腾教授的微信视频号2020年7月5日开通 （微信视频号：李腾教授），旨在分享科研心得，助力青年学者科研腾飞。每天发布的短视频受到广泛关注并被媒体采访，迅速成为微信视频号科研类头部大号。

2021年李腾教授推出【科研腾飞—大师访谈】系列直播访谈节目，邀请国际顶尖科学家，以访谈的形式和广大科研人员分享个人成长之路、职业发展心得，和科研腾飞之道。前三期节目分别直播访谈了哈佛大学锁志刚院士、浙江大学杨卫院士、和中科院纳米能源所王中林院士，直播间总观众人数超过5.2万，点赞次数超过11万，成为科研领域高关注度的“思想盛宴”。加李腾教授微信，第一时间收到【科研腾飞—大师访谈】节目的最新消息。

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