我国是世界上玉米秸秆资源最丰富的国家之一，每年玉米秸秆的产量超过9亿多吨。随着经济技术的不断发展以及资源的紧缺，玉米秸秆的利用越来越受到重视，可是由于玉米秸秆中皮、髓、叶的成分含量以及物理性质的差异，导致玉米秸秆整秆利用效果不佳，限制了其应用广度，特别是玉米秸秆髓特殊的结构和成分，成为秸秆中最难利用的部分。如何充分高效利用具有超轻、天然多孔、各向异性结构的玉米秸秆髓成为具有一定挑战性和实践价值的课题。

  近日，大连工业大学轻工与化学工程学院王海松教授团队巧妙地利用玉米秸秆髓的天然结构，使用FeCl₃溶液预处理引入Fe³⁺离子并溶出部分木质素和半纤维素打开孔道，将溶有不饱和单体丙烯腈（AN）的溶液在负压条件下扩散到玉米秸秆髓的内部，通过光引发构建含有Fe³⁺和腈基（CN-）、Fe³⁺离子和羟基（OH-）动态可逆共价键的聚丙烯腈-纤维素网络结构，利用Fe-CN、Fe-OH交联点的可逆断裂与重构，制备出具超高弹性和抗疲劳性生物基弹性体（图1），在50%应变压缩下循环100次，弹性回复率仍达到94%以上（图2），并展示了其在缓冲包装、油水分离和生物传感等领域的应用效果。相关工作以“Composited Gels from Nature Growing Scaffold: Synthesis, Properties, and Application”为题发表在ACS Appl. Mater. Interfaces（2021, DOI: 10.1021/acsami.0c18504）。

图1 以玉米秸秆髓为模板制备超轻高性能弹性体的过程及机理

图2 玉米秸秆髓弹性体实物电镜图及不同条件下的压力压缩曲线

  首先，作者自行设计了一个压力缓冲包装评价系统，对比了最常用的洗衣机装箱用缓冲泡沫、同样大小的弹簧在不同压力和冲击次数情况下的缓冲效果和压缩应力应变曲线（图3），玉米秸秆生物基弹性体材料在多次快速的冲击下仍然保持了良好的弹性回复率，并且相比遵循胡克定律的弹簧具有更缓慢和柔性的能量吸收和耗散，对抗外力冲击具有良好的缓冲能力和抗疲劳性能，在绿色可降解生物基缓冲包装领域具有广阔的应用前景。

图3 玉米秸秆髓弹性体与缓冲泡沫和弹簧在不同压力下循环压缩缓冲效果对比图

  然后，作者采用经典的气相沉积（CVD）法将工业碱木质素引入到制备的玉米秸秆髓弹性体中，弹性体表面的水接触角（WCA）达到了142°，以正己烷和氯仿为代表的轻油和重油油水分离效果实验表明：CVD沉积木质素的玉米秸秆髓生物基弹性体是良好的油水分离材料（图4），不仅广泛应用于各种类型轻油和重油的分离回收，还可以在简单的挤压之后除去吸附的油实现多次循环使用。

图4 气相沉积木质素的玉米髓弹性体水接触角及其在油水分离中的应用

  最后，作者还尝试将聚苯胺溶液渗透到制备的玉米秸秆髓弹性体多孔材料中，探索了其作为一种各向异性生物基传感器在监测压力变化方面的应用（图5）。结果表明，掺杂了聚苯胺的弹性体不仅压缩回弹性未受到影响，具有良好的压力敏感度和抗疲劳特征，而且继承了玉米秸秆髓模板的各向异性，在径向方向和生长方向上的压缩有明显不同的监测信号，在记录单向运动数据和对生物相溶性有一定要求的传感监测方面具有应用潜力。

图5 玉米秸秆髓弹性体作为生物基传感器监测单方向压力变化示意图

  论文的第一作者为大连工业大学轻工与化学工程学院在读博士研究生孟毅，通讯作者为大连工业大学生物基纤维材料与化学品团队负责人王海松教授。研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、辽宁省自然科学基金及辽宁省百千万人才工程项目的资助。

  论文信息：Yi Meng, Fuyu Song, Hang Chen, Yi Cheng, Jie Lu and Haisong Wang*, Composited Gels from Nature Growing Scaffold: Synthesis, Properties and Application. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, DOI: 10.1021/acsami.0c18504

  原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c18504