家畜動(dòng)物毛皮是肉類加工過(guò)程中產(chǎn)生的低值副產(chǎn)物,全球每年產(chǎn)生超3億張,是一類重要的大宗動(dòng)物生物質(zhì)資源,其主要成分是皮膠原。當(dāng)前,制革是皮膠原資源化利用的主要途徑,約80%的動(dòng)物毛皮被用于皮革制造。該過(guò)程的核心步驟是交聯(lián)鞣制,即通過(guò)交聯(lián)反應(yīng)將易腐爛的動(dòng)物毛皮轉(zhuǎn)化為具有良好物理機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性的皮革。近年來(lái),隨著可持續(xù)發(fā)展與綠色制造理念的推進(jìn),基于非鉻鞣劑(如三價(jià)鋁鹽、四價(jià)鋯鹽及有機(jī)交聯(lián)劑等)的無(wú)鉻鞣制工藝因其避免了有害鉻金屬的使用,被廣泛認(rèn)為當(dāng)前是具生態(tài)環(huán)保潛力的鞣制路徑,所制備皮革具有全生命周期綠色的優(yōu)點(diǎn)。
在此背景下,四川大學(xué)劉公巖教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南京大學(xué)陳朝見(jiàn)教授,在國(guó)家自然科學(xué)基金和四川大學(xué)“無(wú)鉻皮革制造技術(shù)特色工科團(tuán)隊(duì)”項(xiàng)目的資助下,基于前期在無(wú)鉻鞣理論與綠色技術(shù)方面的系統(tǒng)積累(Materials Horizons, 2022, 9, 1309;Water Research 2022, 218, 118469; Journal of Cleaner Production, 2023, 393, 136363;Journal of Hazard Materials, 2023, 456, 131654),圍繞天然膠原纖維的綠色轉(zhuǎn)化與高值應(yīng)用開(kāi)展深入研究,旨在推動(dòng)其在環(huán)保型皮革制造及生物質(zhì)功能材料領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,并為傳統(tǒng)石油基合成纖維材料提供可持續(xù)替代方案。
該研究結(jié)合了物理處理和化學(xué)功能化,使用兩性離子共聚物破壞膠原分子間的氫鍵,促進(jìn)膠原纖維實(shí)現(xiàn)高效微纖化,并通過(guò)鋯交聯(lián)進(jìn)一步穩(wěn)定纖維結(jié)構(gòu)。構(gòu)建得到的膠原纖維網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)良好的纖維分散性,在空氣凈化性能方面表現(xiàn)優(yōu)異,實(shí)現(xiàn)對(duì)PM0.3和甲醛的去除效率分別超過(guò)97%和93%。同時(shí),該策略還賦予了膠原纖維優(yōu)良的抗菌性能,可捕獲和滅活99%以上的細(xì)菌氣溶膠。生命周期評(píng)估強(qiáng)調(diào)其環(huán)境可持續(xù)性和成本效益,這種新方法促進(jìn)了天然膠原纖維在空氣凈化領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新路徑,也為動(dòng)物生物質(zhì)資源的高值轉(zhuǎn)化利用提供了切實(shí)可行的技術(shù)方案。
該研究以題為“Nanofibrillated collagen fiber networks for enhanced air purification”的論文發(fā)表在《Nature Communications》上。四川大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院2021級(jí)博士生王俊超為第一作者,劉公巖教授和陳朝見(jiàn)教授為通訊作者。
圖1. 天然膠原纖維網(wǎng)絡(luò)的納米微纖化。
納米微纖化膠原纖維網(wǎng)絡(luò)的制備
研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種簡(jiǎn)單、高效的膠原纖維納米微纖化策略。以天然動(dòng)物皮為原料,引入兩性離子共聚物PSG,通過(guò)機(jī)械攪拌與表面改性相結(jié)合,促進(jìn)膠原纖維束均勻分散為納米纖維。并利用鋯交聯(lián)劑與纖維表面官能團(tuán)發(fā)生配位反應(yīng),防止氫鍵重建的同時(shí)在纖維間形成多點(diǎn)交聯(lián),從而實(shí)現(xiàn)納米微纖化結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。最終制得的納米微纖化膠原網(wǎng)絡(luò)(Nano-CFN)纖維直徑由5.4 μm顯著降低至120 nm,結(jié)構(gòu)疏松、可大面積制備,具備良好柔韌性及熱穩(wěn)定性,展現(xiàn)出良好的規(guī);瘧(yīng)用潛力。
圖2. 納米微纖化膠原纖維網(wǎng)絡(luò)的空氣凈化性能。
納米微纖化膠原纖維網(wǎng)絡(luò)的高效空氣凈化性能
相比傳統(tǒng)HEPA濾材,Nano-CFN展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。其獨(dú)特的納米孔道結(jié)構(gòu)與豐富表面氨基基團(tuán)協(xié)同作用,能有效去除97%以上的PM0.3顆粒,并通過(guò)化學(xué)吸附實(shí)現(xiàn)93%的甲醛凈化效率。此外,改性過(guò)程中引入的季銨鹽結(jié)構(gòu)賦予材料優(yōu)異的抗微生物性能,可在30分鐘內(nèi)殺滅99.99%的細(xì)菌,并實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)菌氣溶膠的高效捕獲與滅活。更令人矚目的是,Nano-CFN具備可生物降解性與良好環(huán)境友好性,在使用結(jié)束后可通過(guò)簡(jiǎn)單處理實(shí)現(xiàn)快速降解,為一次性濾材的綠色生物質(zhì)替代提供了思路。此外,該納米微纖化策略不僅實(shí)現(xiàn)了動(dòng)物皮革副產(chǎn)物的高值利用,還為傳統(tǒng)制革行業(yè)提供了綠色轉(zhuǎn)型的新路徑。通過(guò)將低值動(dòng)物皮膠原資源轉(zhuǎn)化為高附加值功能材料,該技術(shù)有望減少傳統(tǒng)鞣制過(guò)程中的污染負(fù)荷,拓展膠原資源的下游應(yīng)用場(chǎng)景,推動(dòng)制革產(chǎn)業(yè)由資源粗加工向功能化、可持續(xù)的高技術(shù)方向升級(jí),助力建設(shè)生態(tài)友好型皮革工業(yè)新體系。
科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)兩性離子聚合物改性與鋯離子交聯(lián)協(xié)同調(diào)控,創(chuàng)新構(gòu)建納米微纖化膠原纖維網(wǎng)絡(luò)(Nano-CFN),實(shí)現(xiàn)高效去除PM0.3(>97%)和甲醛(93%)的空氣凈化能力,并具備99.99%廣譜抗菌性能與良好生物降解性。該技術(shù)路徑不僅拓展了天然皮膠原纖維的高值化應(yīng)用潛力,更為無(wú)鉻鞣制技術(shù)提供了理論依據(jù)和實(shí)踐支持,尤其在開(kāi)發(fā)具有輕盈質(zhì)感的生態(tài)型皮革方面展現(xiàn)出重要應(yīng)用前景,對(duì)推動(dòng)鉻鞣技術(shù)的無(wú)害化替代具有積極意義。
本研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(22378281)和由石碧院士領(lǐng)銜的“無(wú)鉻皮革制造工科特色團(tuán)隊(duì)”項(xiàng)目的聯(lián)合資助。
原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-025-62146-6
作者簡(jiǎn)介
劉公巖,四川大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院,教授,博士生導(dǎo)師,入選四川省學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人選、海外高層次人才計(jì)劃和四川大學(xué)“雙百人才”工程計(jì)劃。主持國(guó)家十三五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2020YFC1107301)、子課題(2017YFC1104601);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51403131);四川省科技廳重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2021YFG0241、2016SZ0004)等20余項(xiàng)項(xiàng)目。以第一/通訊作者身份在Nature Communications、Advanced Functional Materials、Materials Horizons、Water Research、Chemical Engineering Journal、Journal of Cleaner Production、ACS Applied Materials & Interfaces等高水平期刊發(fā)表論文69余篇。授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利16項(xiàng),其中11項(xiàng)專利技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用,5項(xiàng)專利技術(shù)向企業(yè)轉(zhuǎn)讓。榮獲四川省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎(jiǎng),四川大學(xué)十大基礎(chǔ)研究進(jìn)展獎(jiǎng)。
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