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北京林業(yè)大學(xué)彭鋒教授團(tuán)隊(duì) ACS Nano: 可降解的木聚糖塑料
2023-07-18  來源：高分子科技

  廢棄不可降解塑料的堆積帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題。開發(fā)生物可降解塑料是解決環(huán)境污染問題策略之一，其中利用林木生物質(zhì)資源制備可降解塑料的研究已有突破性的進(jìn)展。半纖維素，作為木質(zhì)纖維生物質(zhì)的三大組分之一，是重要的可降解材料制備原料。由于半纖維素結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及成膜性差，因此對于半纖維素制備材料的研究多有掣肘。目前的研究多集中于通過化學(xué)改性或復(fù)合其他聚合物、填料的方式制備半纖維素膜材料，然而其力學(xué)強(qiáng)度差，且具有脆性，在實(shí)際使用中受到了極大的限制。


  針對以上挑戰(zhàn)，北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院彭鋒教授課題組利用來自溶解漿生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物木聚糖進(jìn)行木聚糖塑料的制備。通過對工業(yè)木聚糖進(jìn)行醚化交聯(lián)得到木聚糖雙交聯(lián)凝膠（DCXG），通過簡單的熱壓致密化，得到綜合性能優(yōu)異的木聚糖塑料（Xylan Plastic, XP）（圖1）。來源天然綠色的XP作為一種新型生物塑料在替代不可降解塑料表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，該工作以“Xylan Plastic”為題發(fā)表在國際知名期刊《ACS Nano》上。 



圖1 XP制備流程


  該工作以工業(yè)副產(chǎn)物木聚糖為原料，在四丁基氫氧化銨/尿素（TBAH/Urea）體系下選取多種環(huán)氧甘油醚進(jìn)行醚化改性制備XP。體系中醚化交聯(lián)構(gòu)成的化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和氫鍵形成的物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)耗散體系。在雙網(wǎng)絡(luò)協(xié)同作用下，XP具有較高的韌性（圖2a-b），可折疊成不同的形狀（圖2c）。與已報(bào)道的半纖維素基膜材料相比，XP的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)賦予其高強(qiáng)度的同時(shí)具有高韌性（圖2d）；與傳統(tǒng)石油基塑料相比，XP不僅可以生物降解實(shí)現(xiàn)全生命周期綠色路線，而且性能方面超過大部分常見商業(yè)塑料（圖2e）。 


圖2 不同交聯(lián)劑比例下XP力學(xué)性能及與已報(bào)道半纖維基膜材料、常見生物塑料和石油基塑料力學(xué)性能對比


  由于多糖分子具有羥基親水基團(tuán)，因此水分子對XP性能有較大影響，本研究從內(nèi)部含水和外界濕度影響兩個(gè)角度探究水分子對XP力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明水分子對XP具有增塑的作用（圖3b-d），并且可以與木聚糖鏈之間的氫鍵相互作用相競爭，影響剛性網(wǎng)絡(luò)弱化模量（圖3e-f）。通過潤脹測試，XP可以在水中發(fā)生潤脹再次得到凝膠。結(jié)合熱壓策略可以對XP進(jìn)行重復(fù)制備，其力學(xué)強(qiáng)度、斷裂伸長率、韌性和楊氏模量的變化不大，這表明在循環(huán)再制備的過程中，XP的雙交聯(lián)結(jié)構(gòu)沒有因?yàn)樗肿拥挠绊懓l(fā)生破壞，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（圖3g）。



圖3 含水及濕度對XP力學(xué)性能影響


  同時(shí)，XP具有優(yōu)異的光學(xué)性能、良好的生物相容性和可降解性，在替代傳統(tǒng)石油基塑料方面表現(xiàn)出巨大的潛力。該研究為工業(yè)副產(chǎn)物木聚糖的高值轉(zhuǎn)化提供了新的思路。


  北京林業(yè)大學(xué)碩士生賈思雨為本論文第一作者，北京林業(yè)大學(xué)彭鋒教授，饒俊博士為本論文的共同通訊作者。該工作得到了國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目（32225034）、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31971611）和高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃（111 project, BP0820033）的支持。


  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c02327

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（責(zé)任編輯：xu）
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