北京林业大学彭锋教授团队 ACS Nano: 可降解的木聚糖塑料

2023-07-18 来源：高分子科技

废弃不可降解塑料的堆积带来了严重的环境问题。开发生物可降解塑料是解决环境污染问题策略之一，其中利用林木生物质资源制备可降解塑料的研究已有突破性的进展。半纤维素，作为木质纤维生物质的三大组分之一，是重要的可降解材料制备原料。由于半纤维素结构复杂以及成膜性差，因此对于半纤维素制备材料的研究多有掣肘。目前的研究多集中于通过化学改性或复合其他聚合物、填料的方式制备半纤维素膜材料，然而其力学强度差，且具有脆性，在实际使用中受到了极大的限制。

针对以上挑战，北京林业大学材料学院彭锋教授课题组利用来自溶解浆生产过程中的副产物木聚糖进行木聚糖塑料的制备。通过对工业木聚糖进行醚化交联得到木聚糖双交联凝胶（DCXG），通过简单的热压致密化，得到综合性能优异的木聚糖塑料（Xylan Plastic, XP）（图1）。来源天然绿色的XP作为一种新型生物塑料在替代不可降解塑料表现出巨大的优势，该工作以“Xylan Plastic”为题发表在国际知名期刊《ACS Nano》上。

图1 XP制备流程

该工作以工业副产物木聚糖为原料，在四丁基氢氧化铵/尿素（TBAH/Urea）体系下选取多种环氧甘油醚进行醚化改性制备XP。体系中醚化交联构成的化学交联网络和氢键形成的物理交联网络构建了双交联网络耗散体系。在双网络协同作用下，XP具有较高的韧性（图2a-b），可折叠成不同的形状（图2c）。与已报道的半纤维素基膜材料相比，XP的双网络结构赋予其高强度的同时具有高韧性（图2d）；与传统石油基塑料相比，XP不仅可以生物降解实现全生命周期绿色路线，而且性能方面超过大部分常见商业塑料（图2e）。

图2 不同交联剂比例下XP力学性能及与已报道半纤维基膜材料、常见生物塑料和石油基塑料力学性能对比

由于多糖分子具有羟基亲水基团，因此水分子对XP性能有较大影响，本研究从内部含水和外界湿度影响两个角度探究水分子对XP力学性能的影响。结果表明水分子对XP具有增塑的作用（图3b-d），并且可以与木聚糖链之间的氢键相互作用相竞争，影响刚性网络弱化模量（图3e-f）。通过润胀测试，XP可以在水中发生润胀再次得到凝胶。结合热压策略可以对XP进行重复制备，其力学强度、断裂伸长率、韧性和杨氏模量的变化不大，这表明在循环再制备的过程中，XP的双交联结构没有因为水分子的影响发生破坏，具有结构稳定性（图3g）。

图3 含水及湿度对XP力学性能影响

同时，XP具有优异的光学性能、良好的生物相容性和可降解性，在替代传统石油基塑料方面表现出巨大的潜力。该研究为工业副产物木聚糖的高值转化提供了新的思路。

北京林业大学硕士生贾思雨为本论文第一作者，北京林业大学彭锋教授，饶俊博士为本论文的共同通讯作者。该工作得到了国家杰出青年科学基金项目（32225034）、国家自然科学基金面上项目（31971611）和高等学校学科创新引智计划（111 project, BP0820033）的支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c02327

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（责任编辑：xu）

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