随着塑料污染造成的环境问题日益加剧,开发可降解塑料已经成为全球关注的焦点。来源丰富和可生物降解的纤维素资源是制备可降解塑料的理想原材料。然而,纤维素分子链间的强氢键作用显著降低了其自由运动能力,导致纤维素无法进行热塑性加工,严重制约着纤维素塑料的开发和应用。尽管醋酸纤维素、硝酸纤维素等热塑性纤维素衍生物已经被成功开发,但是这些纤维素衍生物仍需要在高温和增塑条件下被加工成纤维素塑料。因此,亟需开发更高效的纤维素分子结构改性方法,实现在温和条件下将纤维素热塑性加工为可降解塑料。
图1 通过动态亚胺化学改变纤维素分子结构构筑可热塑性加工纤维素塑料的示意图
纤维素塑料的合成和结构表征
图2 纤维素塑料的合成和结构表征。(a)纤维素塑料的合成路线。(b)纤维素塑料的红外光谱图。(c,d)C1s 和N1s 的XPS图。(e,f)羟基、胺基和亚胺键在不同温度下的红外光谱图。(g)纤维素塑料的MD模拟结构图。(h~j)不同温度下纤维素塑料中的官能团和氢键的MD模拟结果。
纤维素塑料的力学性能调控和表征
图3 纤维素塑料的力学性能调控和表征。(a)随着胺基和醛基摩尔比的增加,纤维素塑料交联网络结构的变化示意图。(b,c)胺基和醛基摩尔比为1:1和1.5:1条件下,cellulosic plastic (1:1)和cellulosic plastic (1.5:1)的MD模拟结构图。(d)纤维素、cellulosic plastic (1:1)和cellulosic plastic (1.5:1)中氢键作用的MD模拟结果。(e)随着胺基和醛基摩尔比的增加,纤维素塑料韧性的变化。(f,g)纤维素塑料的挺度和柔性展示图。(g)不同取代度下,纤维素塑料的拉伸应力-应变曲线。
图4 纤维素塑料的动态热力学性能和形状塑造性能。(a)储能模量曲线。(b)Tan delta 曲线。(c)应力松弛曲线。(d)基于阿伦尼乌斯方程对应力松弛温度和时间处理后的线性拟合图。(e)纤维素塑料中亚胺键的动态交换反应机理和过程。(f)纤维素塑料中亚胺键进行动态交换反应的DFT计算结果。(g)纤维素塑料的形状塑造性能。
图5 纤维素塑料的抗水性和热稳定性。(a)纤维素塑料的水接触角。(b~d)纤维素塑料的耐水性测试。(e)纤维素塑料的吸水率曲线。(f,g)纤维素塑料的湿强度。(h)纤维素塑料和其他塑料的热膨胀系数对比。
该成果以题为“Reconstruction of Cellulose Intermolecular Interactions from Hydrogen Bonds to Dynamic Covalent Networks Enables a Thermo-processable Cellulosic Plastic with Tunable Strength and Toughness”发表在《ACS Nano》上。四川农业大学苏治平副教授为论文第一作者,通讯作者为华南理工大学王小慧教授和武汉大学陈朝吉教授。该成果得到国家重点研发计划(2019YFE0114400),国家自然科学基金(32301537,32301537,52273091)、四川省天府峨眉计划、四川省自然科学基金(2022NSFSC0995)、中国博士后科学基金(2021M702377)等项目的资助。
原文链接:https://doi.org/10.1021/acsnano.3c06175
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