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  聚氨酯是由多元醇和異氰酸酯反應(yīng)得到的嵌段共聚物，因其原料種類豐富、商業(yè)化程度高、配比調(diào)節(jié)范圍廣，分子結(jié)構(gòu)可控性強等特點而具有可高度調(diào)節(jié)的性能，已被廣泛應(yīng)用于泡沫、彈性體、涂料、膠黏劑等領(lǐng)域。然而，目前大多數(shù)商業(yè)化的聚氨酯原料來自不可再生的化石資源，尋求綠色、環(huán)保、可再生的生物質(zhì)原料制備聚氨酯已成為促進聚氨酯工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的焦點。木質(zhì)素是僅次于纖維素的第二大生物質(zhì)資源，因其來源廣、成本低、具有優(yōu)異紫外屏蔽功能而受到廣泛關(guān)注。然而，作為制漿造紙、生物煉制工業(yè)的主要廢棄物，木質(zhì)素目前仍未得到大規(guī)模的有效利用。木質(zhì)素含有豐富的羥基，有望應(yīng)用于部分替代多元醇制備聚氨酯材料。但是，由于木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu)復雜、反應(yīng)活性低，與聚氨酯基體相容性差，直接引入木質(zhì)素容易導致聚氨酯性能嚴重下降，且木質(zhì)素的多官能度賦予其交聯(lián)劑的性質(zhì)，使得制備的聚氨酯材料為熱固性，不可重復加工。

  針對以上問題，華南理工大學邱學青教授團隊最近采用低分子量酶解木質(zhì)素部分替代聚醚多元醇（PTMEG2000），制備了高強度、高韌性、高彈性且同時具有熱重塑性能的聚氨酯彈性體。當木質(zhì)素替代PTMEG2000的量達到5~10%時，材料拉伸強度達到60 MPa，斷裂伸長率超過1200%，韌性達到 264 MJ/m³，同時保持高彈性，彈性恢復率95%，是目前文獻報道的木質(zhì)素改性聚氨酯材料中強度和韌性的最高水平。商品聚氨酯彈性體在獲取高強度的同時會損失彈性和韌性，或者在提高彈性的同時會損失強度。而添加少量木質(zhì)素的聚氨酯彈性體在保持高強度的同時，兼具高彈性和高韌性，與商品聚氨酯彈性體對比具有顯著特色（圖1）。

圖1.木質(zhì)素基聚氨酯彈性體。

  研究表明，所制備的木質(zhì)素基聚氨酯彈性體既增強又增韌、同時又高彈的機理包括（圖2）：木質(zhì)素分子量降低，反應(yīng)活性提高，木質(zhì)素與聚氨酯基體相容性提高，木質(zhì)素在聚氨酯基體中形成納米微相分離結(jié)構(gòu)，同時木質(zhì)素與聚氨酯鏈段之間形成界面動態(tài)氫鍵作用，這些因素可促使聚氨酯鏈段在拉伸過程中更易發(fā)生取向結(jié)晶，從而大幅度提高材料的強度；同時木質(zhì)素與聚氨酯鏈段之間的界面動態(tài)氫鍵作用在拉伸過程中反復斷裂與重構(gòu)，耗散大量外部機械能，使得材料能保持優(yōu)異的韌性。

圖2. 木質(zhì)素增強增韌聚氨酯彈性體機理。

  此外，木質(zhì)素與聚氨酯相界面間含有豐富的酚羥基型氨基甲酸酯動態(tài)共價鍵結(jié)構(gòu)，界面作用力強，可提供高彈性交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，賦予材料優(yōu)異的彈性恢復性能。同時，酚羥基型氨基甲酸酯動態(tài)共價鍵在高溫及催化劑作用下可發(fā)生酯交換反應(yīng)，賦予了材料高溫重塑性能，使得材料在重加工后仍保留較好的機械性能（圖3）。

圖3. 木質(zhì)素基聚氨酯彈性體重加工性能：（a）重加工機理；（b）20%DEL樣品重加工過程展示圖；（c）20%DEL樣品重加工前后應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。

  以上成果最近發(fā)表在Macromolecules上(DOI: 10.1021/acs.macromol.9b01413)。論文的共同第一作者為華南理工大學化學與化工學院劉偉峰副研究員和碩士生方暢，共同通訊作者為邱學青教授和劉偉峰副研究員。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.9b01413

  邱學青，華南理工大學教授，博士生導師，現(xiàn)任華南理工大學副校長，獲國家自然科學杰出青年基金，入選國家新世紀“百千萬人才工程”、南粵百杰，兼任中國化工學會理事、精細化工專業(yè)委員會副主任，廣東省綠色精細化學產(chǎn)品工程技術(shù)研究開發(fā)中心主任、廣東省化工學會執(zhí)行理事長、生物質(zhì)化工教育部重點實驗室學術(shù)委員會副主任，第七屆國務(wù)院學科評議組（化學工程與技術(shù)學科組）成員等。由邱學青教授領(lǐng)銜的華南理工大學生物質(zhì)資源化工團隊長期從事生物質(zhì)資源-木質(zhì)素的基礎(chǔ)研究及開發(fā)利用，在木質(zhì)素基工業(yè)表面活性劑、木質(zhì)素納米材料的研發(fā)和應(yīng)用方面取得多項原創(chuàng)性成果，并有多項產(chǎn)品實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。團隊曾獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎2次，國家優(yōu)秀專利獎3次，廣東省專利金獎2次等獎勵；獲授權(quán)中國發(fā)明專利72項；獲得美國授權(quán)專利2項；發(fā)表SCI/EI論文400余篇；出版專著1部。