华南理工刘伟峰和广东工大邱学青Green Chem.：基于木质素光热功能的智能弹性体

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光热弹性体可以通过光热转换实现精准的非接触控制，为光能利用和智能材料发展提供了一个新方向。传统的光热转化介质存在成本昂贵、或光热转化效率偏低、或具有生物毒性等问题，开发新的绿色高效生物质基光热材料是提高光热弹性体环境友好性、促进碳中和的重要途径。工业木质素是制浆造纸的大宗副产物，成本低、绿色无毒可降解，因其分子结构复杂、易团聚等缺点，目前高值化利用率很低。挖掘利用木质素的光热转换功能，对于木质素的高值化利用具有重大意义。

图1 木质素光热转换效应及其在智能弹性体中的应用场景

近日，华南理工大学刘伟峰、广东工业大学邱学青团队和东北林业大学陈志俊合作，系统考查了不同木质素的光热效应，提出木质素的光热转换机理：在可见光或近红外光照射下，木质素分子结构中的共轭结构和分子堆积能降低电子跃迁能垒，促进电子从低能态轨道向高能态轨道跃迁，木质素的分子量越低、极性官能团含量越高、分子间作用力越强，其分子中的共轭效益也越强，越能促进其对光能的吸收和电子跃迁，而木质素吸收的光能主要以非辐射跃迁（主要是热能）的形式释放，因而产生光热效应。研究表明，木质素具有高效的光热转换能力，在808 nm、1.25 W cm^-2的近红外照射下，光热温度超过280 ℃（图2），光热转换效率可达53.7%，完全可与传统贵金属光热介质（如纳米金）、碳基光热介质（如炭黑、石墨烯）、共轭有机光热介质等相媲美，甚至还更优。

将木质素和聚乙烯弹性体（POE）通过熔融共混制备木质素/聚烯烃复合材料，开发出基于木质素光热效应的一系列功能应用，如光热驱动的智能形状记忆、光热自愈合（拉伸性能自愈合率达98.2%）、光-热-电能/机械能转换、光热抗菌等（参见图1），彰显出木质素光热转换能力的巨大应用前景，开辟了木质素在光热智能高分子材料中的高值应用。

图2 木质素的光热数据、光热稳定性、转换机理及磷光荧光光谱

这项工作的意义在于：

1. 发现并挖掘了木质素的光热转换功能，揭示木质素的共轭结构能有效促进电子从低能轨道向高能轨道的跃迁，木质素吸收的可见光或近红外光能主要以非辐射跃迁的形式释放。

2. 开辟了木质素光热功能在智能高分子材料中的新应用，如光热驱动的智能形状记忆、光热自愈合、光-热-电/机械转换、光热抗菌等，对推动木质素的高值化利用具有重要意义。

相关成果以“Lignin: sustainable photothermal block for smart elastomers”为题，近期发表在 Green Chemistry上。华南理工大学化学化工学院硕士生李锦兴为论文第一作者，华南理工大学刘伟峰和东北林业大学陈志俊为论文共同通讯作者，广东工业大学邱学青教授为该研究团队带头人。成果得到国家自然科学基金项目（22038004, 22078116）、广东省重点研发计划（2020B1111380002）、广东省自然科学基金项目（2021A1515010121, 2019A1515012154）等资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1039/D1GC03571A

近年来，广东工业大学邱学青和华南理工刘伟峰团队专注于木质素在高分子材料中的高值利用研究，充分挖掘木质素本身的结构特点和功能特性，通过原位界面改性，在木质素与高分子相界面间构建动态键提高界面相容性，制备了一系列高性能的木质素改性橡胶及聚氨酯功能弹性体复合材料，可实现木质素对传统炭黑填料一半以上的替代，可实现木质素替代传统塑料相、制备出以木质素为塑料相的热塑性弹性体复合材料，甚至还可以实现木质素增强传统橡胶的智能化制备人工肌肉弹性体，还能实现木质素部分替代石油基长链醇合成聚氨酯弹性体，并能利用纯工业木质素实现对聚氨酯泡沫的阻燃，获得了系列授权发明专利，欢迎交流合作共同进步，推动木质素的高值利用。

1. Lignin: sustainable photothermal block for smart elastomers. Green Chemistry 2021. https://doi.org/10.1039/D1GC03571A

2. Biomimetic High Performance Artificial Muscle Built on Sacrificial Coordination Network and Mechanical Training Process. Nature Communications 2021, 12, 2916. https://doi.org/10.1038/s41467-021-23204-x

3. High Performance Thermoplastic Elastomers with Biomass Lignin as Plastic Phase: ACS Sustainable Chem. Eng. 2019, 7, 6550–6560. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.8b04936

4. Pristine lignin as a flame retardant in flexible PU foam. Green Chemistry 2021, 23, 5972-5980. https://doi.org/10.1039/D1GC01109J

5. High-Performance Lignin-Containing Polyurethane Elastomers with Dynamic Covalent Polymer Networks. Macromolecules, 2019, 52(17), 6474-6484.

https:// doi.org/10.1021/acs.macromol.9b01413 

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