废弃不可降解塑料的堆积带来了严重的环境问题。开发生物可降解塑料是解决环境污染问题策略之一,其中利用林木生物质资源制备可降解塑料的研究已有突破性的进展。半纤维素,作为木质纤维生物质的三大组分之一,是重要的可降解材料制备原料。由于半纤维素结构复杂以及成膜性差,因此对于半纤维素制备材料的研究多有掣肘。目前的研究多集中于通过化学改性或复合其他聚合物、填料的方式制备半纤维素膜材料,然而其力学强度差,且具有脆性,在实际使用中受到了极大的限制。
针对以上挑战,北京林业大学材料学院彭锋教授课题组利用来自溶解浆生产过程中的副产物木聚糖进行木聚糖塑料的制备。通过对工业木聚糖进行醚化交联得到木聚糖双交联凝胶(DCXG),通过简单的热压致密化,得到综合性能优异的木聚糖塑料(Xylan Plastic, XP)(图1)。来源天然绿色的XP作为一种新型生物塑料在替代不可降解塑料表现出巨大的优势,该工作以“Xylan Plastic”为题发表在国际知名期刊《ACS Nano》上。
该工作以工业副产物木聚糖为原料,在四丁基氢氧化铵/尿素(TBAH/Urea)体系下选取多种环氧甘油醚进行醚化改性制备XP。体系中醚化交联构成的化学交联网络和氢键形成的物理交联网络构建了双交联网络耗散体系。在双网络协同作用下,XP具有较高的韧性(图2a-b),可折叠成不同的形状(图2c)。与已报道的半纤维素基膜材料相比,XP的双网络结构赋予其高强度的同时具有高韧性(图2d);与传统石油基塑料相比,XP不仅可以生物降解实现全生命周期绿色路线,而且性能方面超过大部分常见商业塑料(图2e)。
图2 不同交联剂比例下XP力学性能及与已报道半纤维基膜材料、常见生物塑料和石油基塑料力学性能对比由于多糖分子具有羟基亲水基团,因此水分子对XP性能有较大影响,本研究从内部含水和外界湿度影响两个角度探究水分子对XP力学性能的影响。结果表明水分子对XP具有增塑的作用(图3b-d),并且可以与木聚糖链之间的氢键相互作用相竞争,影响刚性网络弱化模量(图3e-f)。通过润胀测试,XP可以在水中发生润胀再次得到凝胶。结合热压策略可以对XP进行重复制备,其力学强度、断裂伸长率、韧性和杨氏模量的变化不大,这表明在循环再制备的过程中,XP的双交联结构没有因为水分子的影响发生破坏,具有结构稳定性(图3g)。
同时,XP具有优异的光学性能、良好的生物相容性和可降解性,在替代传统石油基塑料方面表现出巨大的潜力。该研究为工业副产物木聚糖的高值转化提供了新的思路。北京林业大学硕士生贾思雨为本论文第一作者,北京林业大学彭锋教授,饶俊博士为本论文的共同通讯作者。该工作得到了国家杰出青年科学基金项目(32225034)、国家自然科学基金面上项目(31971611)和高等学校学科创新引智计划(111 project, BP0820033)的支持。
论文链接:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c02327
相关进展
北林彭锋教授课题组《Prog. Polym. Sci.》综述:半纤维素的结构、化学改性及应用
北林彭锋教授课题组《Cell Rep. Phys. Sci.》:半纤维素超长室温磷光
北林彭锋教授课题组 ACS AMI:开发新型半纤维素基液态金属功能膜材料
北京林业大学彭锋教授团队《Angew Chem》:在非平衡态流体领域取得重要进展
高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享,刊物或媒体如需转载,请联系邮箱:info@polymer.cn
诚邀投稿
欢迎专家学者提供稿件(论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等)至info@polymer.cn,并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送,并同时发布在中国聚合物网上。
欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求,陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群,也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群,全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。
申请入群,请先加审核微信号PolymerChina(或长按下方二维码),并请一定注明:高分子+姓名+单位+职称(或学位)+领域(或行业),否则不予受理,资格经过审核后入相关专业群。