聚氨酯是由多元醇和异氰酸酯反应得到的嵌段共聚物，因其原料种类丰富、商业化程度高、配比调节范围广，分子结构可控性强等特点而具有可高度调节的性能，已被广泛应用于泡沫、弹性体、涂料、胶黏剂等领域。然而，目前大多数商业化的聚氨酯原料来自不可再生的化石资源，寻求绿色、环保、可再生的生物质原料制备聚氨酯已成为促进聚氨酯工业可持续发展的焦点。木质素是仅次于纤维素的第二大生物质资源，因其来源广、成本低、具有优异紫外屏蔽功能而受到广泛关注。然而，作为制浆造纸、生物炼制工业的主要废弃物，木质素目前仍未得到大规模的有效利用。木质素含有丰富的羟基，有望应用于部分替代多元醇制备聚氨酯材料。但是，由于木质素分子结构复杂、反应活性低，与聚氨酯基体相容性差，直接引入木质素容易导致聚氨酯性能严重下降，且木质素的多官能度赋予其交联剂的性质，使得制备的聚氨酯材料为热固性，不可重复加工。

  针对以上问题，华南理工大学邱学青教授团队最近采用低分子量酶解木质素部分替代聚醚多元醇（PTMEG2000），制备了高强度、高韧性、高弹性且同时具有热重塑性能的聚氨酯弹性体。当木质素替代PTMEG2000的量达到5~10%时，材料拉伸强度达到60 MPa，断裂伸长率超过1200%，韧性达到 264 MJ/m³，同时保持高弹性，弹性恢复率95%，是目前文献报道的木质素改性聚氨酯材料中强度和韧性的最高水平。商品聚氨酯弹性体在获取高强度的同时会损失弹性和韧性，或者在提高弹性的同时会损失强度。而添加少量木质素的聚氨酯弹性体在保持高强度的同时，兼具高弹性和高韧性，与商品聚氨酯弹性体对比具有显著特色（图1）。

图1.木质素基聚氨酯弹性体。

  研究表明，所制备的木质素基聚氨酯弹性体既增强又增韧、同时又高弹的机理包括（图2）：木质素分子量降低，反应活性提高，木质素与聚氨酯基体相容性提高，木质素在聚氨酯基体中形成纳米微相分离结构，同时木质素与聚氨酯链段之间形成界面动态氢键作用，这些因素可促使聚氨酯链段在拉伸过程中更易发生取向结晶，从而大幅度提高材料的强度；同时木质素与聚氨酯链段之间的界面动态氢键作用在拉伸过程中反复断裂与重构，耗散大量外部机械能，使得材料能保持优异的韧性。

图2. 木质素增强增韧聚氨酯弹性体机理。

  此外，木质素与聚氨酯相界面间含有丰富的酚羟基型氨基甲酸酯动态共价键结构，界面作用力强，可提供高弹性交联网络，赋予材料优异的弹性恢复性能。同时，酚羟基型氨基甲酸酯动态共价键在高温及催化剂作用下可发生酯交换反应，赋予了材料高温重塑性能，使得材料在重加工后仍保留较好的机械性能（图3）。

图3. 木质素基聚氨酯弹性体重加工性能：（a）重加工机理；（b）20%DEL样品重加工过程展示图；（c）20%DEL样品重加工前后应力应变曲线图。

  以上成果最近发表在Macromolecules上(DOI: 10.1021/acs.macromol.9b01413)。论文的共同第一作者为华南理工大学化学与化工学院刘伟峰副研究员和硕士生方畅，共同通讯作者为邱学青教授和刘伟峰副研究员。

  论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.9b01413

  邱学青，华南理工大学教授，博士生导师，现任华南理工大学副校长，获国家自然科学杰出青年基金，入选国家新世纪“百千万人才工程”、南粤百杰，兼任中国化工学会理事、精细化工专业委员会副主任，广东省绿色精细化学产品工程技术研究开发中心主任、广东省化工学会执行理事长、生物质化工教育部重点实验室学术委员会副主任，第七届国务院学科评议组（化学工程与技术学科组）成员等。由邱学青教授领衔的华南理工大学生物质资源化工团队长期从事生物质资源-木质素的基础研究及开发利用，在木质素基工业表面活性剂、木质素纳米材料的研发和应用方面取得多项原创性成果，并有多项产品实现工业化应用。团队曾获得国家技术发明二等奖2次，国家优秀专利奖3次，广东省专利金奖2次等奖励；获授权中国发明专利72项；获得美国授权专利2项；发表SCI/EI论文400余篇；出版专著1部。