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北京林業大學彭鋒教授團隊 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重的環境問題。開發生物可降解塑料是解決環境污染問題策略之一，其中利用林木生物質資源制備可降解塑料的研究已有突破性的進展。半纖維素，作為木質纖維生物質的三大組分之一，是重要的可降解材料制備原料。由于半纖維素結構復雜以及成膜性差，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改性或復合其他聚合物、填料的方式制備半纖維素膜材料，然而其力學強度差，且具有脆性，在實際使用中受到了極大的限制。

針對以上挑戰，北京林業大學材料學院彭鋒教授課題組利用來自溶解漿生產過程中的副產物木聚糖進行木聚糖塑料的制備。通過對工業木聚糖進行醚化交聯得到木聚糖雙交聯凝膠（DCXG），通過簡單的熱壓致密化，得到綜合性能優異的木聚糖塑料（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出巨大的優勢，該工作以“Xylan Plastic”為題發表在國際知名期刊《ACS Nano》上。

圖1 XP制備流程

該工作以工業副產物木聚糖為原料，在四丁基氫氧化銨/尿素（TBAH/Urea）體系下選取多種環氧甘油醚進行醚化改性制備XP。體系中醚化交聯構成的化學交聯網絡和氫鍵形成的物理交聯網絡構建了雙交聯網絡耗散體系。在雙網絡協同作用下，XP具有較高的韌性（圖2a-b），可折疊成不同的形狀（圖2c）。與已報道的半纖維素基膜材料相比，XP的雙網絡結構賦予其高強度的同時具有高韌性（圖2d）；與傳統石油基塑料相比，XP不僅可以生物降解實現全生命周期綠色路線，而且性能方面超過大部分常見商業塑料（圖2e）。

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

由于多糖分子具有羥基親水基團，因此水分子對XP性能有較大影響，本研究從內部含水和外界濕度影響兩個角度探究水分子對XP力學性能的影響。結果表明水分子對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，影響剛性網絡弱化模量（圖3e-f）。通過潤脹測試，XP可以在水中發生潤脹再次得到凝膠。結合熱壓策略可以對XP進行重復制備，其力學強度、斷裂伸長率、韌性和楊氏模量的變化不大，這表明在循環再制備的過程中，XP的雙交聯結構沒有因為水分子的影響發生破壞，具有結構穩定性（圖3g）。

圖3 含水及濕度對XP力學性能影響

同時，XP具有優異的光學性能、良好的生物相容性和可降解性，在替代傳統石油基塑料方面表現出巨大的潛力。該研究為工業副產物木聚糖的高值轉化提供了新的思路。

北京林業大學碩士生賈思雨為本論文第一作者，北京林業大學彭鋒教授，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基金項目（32225034）、國家自然科學基金面上項目（31971611）和高等學校學科創新引智計劃（111 project, BP0820033）的支持。

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

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（責任編輯：xu）

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