天科大戴林、司传领团队/西湖大学王蕾团队 CEJ：绿色低碳途径构建玉米芯木糖渣基生物塑料

2023-07-18 来源：高分子科技

塑料在人类生活、工业生产的各个方面都发挥着重要作用。但传统的石化基塑料严重依赖不可再生的石化资源，其生产和应用过程中巨量的碳足迹对生态环境造成了危害。生物塑料是以植物油脂、玉米淀粉、秸秆、木屑、回收的食物垃圾可再生/可生物降解资源生产的新型绿色材料，被认为是最有潜力的石化塑料的替代品。然而，目前大多生物塑料存在原材料成本高、原料利用效率较低、生产工艺复杂、产品性能较差等问题。因此，开发一种绿色、低成本、工艺简单、性能优良的生物塑料十分必要。

玉米芯是我国最丰富的农业副产品之一，每产量超过5亿吨。玉米芯含有较高的半纤维素含量，是木糖等糖类产品的重要原料。在半纤维素提取过程中会产生大量的木糖渣（纤维素-木质素）废弃物，其中大部分作为燃料、填料等低值化应用。这不仅限制了生物质原料的利用价值，而且不利于产业的绿色、低碳发展。

针对上述问题和关键影响因素，近日，天津科技大学轻工科学与工程学院戴林、司传领团队和西湖大学王蕾团队合作开发了一种简单、绿色、低碳途径构建生物塑料的方法。研究基于现有的木糖工业平台，以玉米芯木糖渣为原料，制备得到具有良好的回收性能、溶剂稳定性、降解性以及出色的力学性能生物塑料。该生物塑料的生产和应用过程表现出良好的经济性和环境友好性。该制备方法在金属盐溶液（ZnCl₂/CaCl₂）体系下，无需分离纤维素、木素，制得的生物塑料具有良好的柔韧性，可弯曲、折叠。扫描电子显微镜结果表明，该生物塑料结构均匀致密。其拉伸强度和韧性分别是纤维素膜的38倍和9.8倍。且其拉伸强度明显优于常见的石化基和生物基塑料。最后，研究对不可再生资源消耗潜能（ADP）、全球变暖潜能（GWP）、臭氧消耗（ODP）、人类毒性潜力潜能（HTP）、淡水水生生态毒性潜能（FATEP）、海水水生生态毒性潜能（MATEP）、地球生态毒性（TEP）、光化学氧化潜能（POCP）、酸化潜能（AP）和富营养化潜能（EP）等环境影响指标进行了量化分析。结果表明，基于标准化其机械强度对比，玉米芯木糖渣基生物塑料在ADP、GWP、AP和EP指标明显低于传统塑料，具有更低的环境影响。该方法可以推广用于其他具有相似组分的木质纤维素原料平台，不仅为绿色低碳生物基材料研发及应用提供研究思路，而且有助于推动生物质原料的高效资源化利用。

图1. 基于木糖工业平台的玉米芯木糖渣基生物塑料生产工艺。该工艺将提取木糖后的残渣转化为生物塑料，不仅提高了资源利用率而且降低了环境污染。

图2. 玉米芯木糖渣基生物塑料的宏观、微观形貌及结构表征。a.宏观形貌。b.生物塑料具有良好的柔韧性，可弯曲折叠，c-e.微观形貌、f-g.FTIR图像，h. XRD图像。

图3. 玉米芯木糖渣基生物塑料与纤维素膜及常见的石化基和生物基塑料力学性能对比。a-b.拉伸强度和模量分别是纤维素膜的38倍和9.8倍。c.与传统塑料及可生物降解塑料的力学性能对比。

图4. 玉米芯木糖渣基生物塑料与常见的石化基和生物基塑料热降解性能对比。与传统塑料和可生物讲解塑料相当的热降解温度。

图5. 玉米芯木糖渣基生物塑料水及有机溶剂溶胀性能以及防水涂层的应用。a.在水中2个月未分解。b.在70分钟内吸水35%，远低于纤维素膜。c.具有较好的抗有机溶剂性能、d.较好的抗水性能。e.作为防水涂层的可有效阻止水分浸入。

图6. 玉米芯木糖渣基生物塑料的环境影响评价(LCA)。生物塑料在除POCP外均具有较低的环境影响（低于或等于其他石油基和生物基塑料的下限），是一种环保型塑料。

该研究成果于近日发表在被国际重要刊物《Chemical Engineering Journal》（DOI: 10.1016/j.cej.2023.144572）上。“Complete conversion of xylose-extracted corncob residues to bioplastic in a green and low carbon footprint way”。天津科技大学轻工科学与工程学院戴林与西湖大学工学院王蕾为共同通讯。天津科技大学研究生周昊为第一作者。该课题得到了国家自然科学基金（32171717），天津市自然科学基金（22JCYBJC01560），西湖大学的资助和支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144572

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻