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  光熱彈性體可以通過光熱轉(zhuǎn)換實現(xiàn)精準的非接觸控制，為光能利用和智能材料發(fā)展提供了一個新方向。傳統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)化介質(zhì)存在成本昂貴、或光熱轉(zhuǎn)化效率偏低、或具有生物毒性等問題，開發(fā)新的綠色高效生物質(zhì)基光熱材料是提高光熱彈性體環(huán)境友好性、促進碳中和的重要途徑。工業(yè)木質(zhì)素是制漿造紙的大宗副產(chǎn)物，成本低、綠色無毒可降解，因其分子結(jié)構(gòu)復雜、易團聚等缺點，目前高值化利用率很低。挖掘利用木質(zhì)素的光熱轉(zhuǎn)換功能，對于木質(zhì)素的高值化利用具有重大意義。

圖1 木質(zhì)素光熱轉(zhuǎn)換效應及其在智能彈性體中的應用場景

  近日，華南理工大學劉偉峰、廣東工業(yè)大學邱學青團隊和東北林業(yè)大學陳志俊合作，系統(tǒng)考查了不同木質(zhì)素的光熱效應，提出木質(zhì)素的光熱轉(zhuǎn)換機理：在可見光或近紅外光照射下，木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu)中的共軛結(jié)構(gòu)和分子堆積能降低電子躍遷能壘，促進電子從低能態(tài)軌道向高能態(tài)軌道躍遷，木質(zhì)素的分子量越低、極性官能團含量越高、分子間作用力越強，其分子中的共軛效益也越強，越能促進其對光能的吸收和電子躍遷，而木質(zhì)素吸收的光能主要以非輻射躍遷（主要是熱能）的形式釋放，因而產(chǎn)生光熱效應。研究表明，木質(zhì)素具有高效的光熱轉(zhuǎn)換能力，在808 nm、1.25 W cm^-2的近紅外照射下，光熱溫度超過280 ℃（圖2），光熱轉(zhuǎn)換效率可達53.7%，完全可與傳統(tǒng)貴金屬光熱介質(zhì)（如納米金）、碳基光熱介質(zhì)（如炭黑、石墨烯）、共軛有機光熱介質(zhì)等相媲美，甚至還更優(yōu)。

  將木質(zhì)素和聚乙烯彈性體（POE）通過熔融共混制備木質(zhì)素/聚烯烴復合材料，開發(fā)出基于木質(zhì)素光熱效應的一系列功能應用，如光熱驅(qū)動的智能形狀記憶、光熱自愈合（拉伸性能自愈合率達98.2%）、光-熱-電能/機械能轉(zhuǎn)換、光熱抗菌等（參見圖1），彰顯出木質(zhì)素光熱轉(zhuǎn)換能力的巨大應用前景，開辟了木質(zhì)素在光熱智能高分子材料中的高值應用。

圖2 木質(zhì)素的光熱數(shù)據(jù)、光熱穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)換機理及磷光熒光光譜

  這項工作的意義在于：

  1. 發(fā)現(xiàn)并挖掘了木質(zhì)素的光熱轉(zhuǎn)換功能，揭示木質(zhì)素的共軛結(jié)構(gòu)能有效促進電子從低能軌道向高能軌道的躍遷，木質(zhì)素吸收的可見光或近紅外光能主要以非輻射躍遷的形式釋放。

  2. 開辟了木質(zhì)素光熱功能在智能高分子材料中的新應用，如光熱驅(qū)動的智能形狀記憶、光熱自愈合、光-熱-電/機械轉(zhuǎn)換、光熱抗菌等，對推動木質(zhì)素的高值化利用具有重要意義。

  相關成果以“Lignin: sustainable photothermal block for smart elastomers”為題，近期發(fā)表在 Green Chemistry上。華南理工大學化學化工學院碩士生李錦興為論文第一作者，華南理工大學劉偉峰和東北林業(yè)大學陳志俊為論文共同通訊作者，廣東工業(yè)大學邱學青教授為該研究團隊帶頭人。成果得到國家自然科學基金項目（22038004, 22078116）、廣東省重點研發(fā)計劃（2020B1111380002）、廣東省自然科學基金項目（2021A1515010121, 2019A1515012154）等資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D1GC03571A

  近年來，廣東工業(yè)大學邱學青和華南理工劉偉峰團隊專注于木質(zhì)素在高分子材料中的高值利用研究，充分挖掘木質(zhì)素本身的結(jié)構(gòu)特點和功能特性，通過原位界面改性，在木質(zhì)素與高分子相界面間構(gòu)建動態(tài)鍵提高界面相容性，制備了一系列高性能的木質(zhì)素改性橡膠及聚氨酯功能彈性體復合材料，可實現(xiàn)木質(zhì)素對傳統(tǒng)炭黑填料一半以上的替代，可實現(xiàn)木質(zhì)素替代傳統(tǒng)塑料相、制備出以木質(zhì)素為塑料相的熱塑性彈性體復合材料，甚至還可以實現(xiàn)木質(zhì)素增強傳統(tǒng)橡膠的智能化制備人工肌肉彈性體，還能實現(xiàn)木質(zhì)素部分替代石油基長鏈醇合成聚氨酯彈性體，并能利用純工業(yè)木質(zhì)素實現(xiàn)對聚氨酯泡沫的阻燃，獲得了系列授權(quán)發(fā)明專利，歡迎交流合作共同進步，推動木質(zhì)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