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  聚氨酯是由多元醇和異氰酸酯反應得到的嵌段共聚物，因其原料種類豐富、商業化程度高、配比調節范圍廣，分子結構可控性強等特點而具有可高度調節的性能，已被廣泛應用于泡沫、彈性體、涂料、膠黏劑等領域。然而，目前大多數商業化的聚氨酯原料來自不可再生的化石資源，尋求綠色、環保、可再生的生物質原料制備聚氨酯已成為促進聚氨酯工業可持續發展的焦點。木質素是僅次于纖維素的第二大生物質資源，因其來源廣、成本低、具有優異紫外屏蔽功能而受到廣泛關注。然而，作為制漿造紙、生物煉制工業的主要廢棄物，木質素目前仍未得到大規模的有效利用。木質素含有豐富的羥基，有望應用于部分替代多元醇制備聚氨酯材料。但是，由于木質素分子結構復雜、反應活性低，與聚氨酯基體相容性差，直接引入木質素容易導致聚氨酯性能嚴重下降，且木質素的多官能度賦予其交聯劑的性質，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.木質素基聚氨酯彈性體。

  研究表明，所制備的木質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）：木質素分子量降低，反應活性提高，木質素與聚氨酯基體相容性提高，木質素在聚氨酯基體中形成納米微相分離結構，同時木質素與聚氨酯鏈段之間形成界面動態氫鍵作用，這些因素可促使聚氨酯鏈段在拉伸過程中更易發生取向結晶，從而大幅度提高材料的強度；同時木質素與聚氨酯鏈段之間的界面動態氫鍵作用在拉伸過程中反復斷裂與重構，耗散大量外部機械能，使得材料能保持優異的韌性。

圖2. 木質素增強增韌聚氨酯彈性體機理。

  此外，木質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共價鍵結構，界面作用力強，可提供高彈性交聯網絡，賦予材料優異的彈性恢復性能。同時，酚羥基型氨基甲酸酯動態共價鍵在高溫及催化劑作用下可發生酯交換反應，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樣品重加工前后應力應變曲線圖。

  以上成果最近發表在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、精細化工專業委員會副主任，廣東省綠色精細化學產品工程技術研究開發中心主任、廣東省化工學會執行理事長、生物質化工教育部重點實驗室學術委員會副主任，第七屆國務院學科評議組（化學工程與技術學科組）成員等。由邱學青教授領銜的華南理工大學生物質資源化工團隊長期從事生物質資源-木質素的基礎研究及開發利用，在木質素基工業表面活性劑、木質素納米材料的研發和應用方面取得多項原創性成果，并有多項產品實現工業化應用。團隊曾獲得國家技術發明二等獎2次，國家優秀專利獎3次，廣東省專利金獎2次等獎勵；獲授權中國發明專利72項；獲得美國授權專利2項；發表SCI/EI論文400余篇；出版專著1部。