木质纤维素的概念(Nat Comm：循环材料新星—高增强可降解木质纤维素生物复合材料)

Posted 2023-05-29

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木质纤维素的概念(Nat Comm：循环材料新星—高增强可降解木质纤维素生物复合材料)

未漂白的木纤维和纳米纤维是材料生产的环保生物基候选材料，且在材料生产阶段具有作为碳汇的潜力。然而，使用可降解或可化学可回收的基质生产高增强含量的生物复合材料是很麻烦的。近日，来自瑞典皇家理工学院的Peter Olsén和LarsA . Berglund团队通过一种基于预成型木质纤维素网络中功能平衡的低聚物的聚酯基质的简单且可扩展的原位聚合的新概念来解决这个问题。这项工作试图通过在高含量木质纤维素增强网络中创建新的，绿色和水解可降解的低聚物来应对循环性和低纤维含量的挑战。相关论文“Highly reinforced and degradable lignocellulose biocomposites by polymerization of new polyester oligomers”于2022年9月27日发表于国际知名期刊《Nature Communications》上。

首先，研究者通过聚酯化反应合成了功能性己内酯低聚物，核磁共振证明了低聚物的成功制备，并为低聚物的聚合机理提供了见解（图1）。而后，用低聚物液体浸渍纤维毡，原位聚合、热压，将木纤维（WF）聚合物基质生物复合材料进行热成型以进行固结（图2a）。纤维-聚合物界面没有明显的脱粘迹象，表明木质纤维/ε-PCL界面具有良好的附着力，可能与化学纤维聚合物反应有关。WF生物复合材料的孔径较大和较高的孔隙率证实了ε-PCL基质的分布在很大程度上取决于增强材料（WF或MFLC）。生物复合材料表面平坦且相当光滑，与增强网络没有明显的图案，确认了热压过程中的塑料流动（图2）。

图1 聚酯低聚物的合成与表征

图2 生物复合材料的制备过程及其宏观和微观结构

然后，研究者对生物复合材料的机械性能、结晶和热性能进行了研究。结果显示，在纤维含量相当的情况下，MFLC提供比WF更好的强度增强。此外，与WF复合材料相比，MFLC生物复合材料显示出更高的失效应变。而ε-PCL基质的结晶度与凝胶含量的关系显示出有趣的趋势。凝胶含量的结晶度降低是因为交联的ε-PCL结构域显示出有限的分子迁移率，阻止了结晶。生物复合材料中的ε-PCL比纯ε-PCL具有更高的凝胶含量和更低的结晶度（图3）。

图3 生物复合材料的机械性能、聚合物基体的结晶度和凝胶含量信息

在循环经济中，可降解性对于可持续材料至关重要。研究者对生物复合材料的水解降解和吸水性进行了测试，与纯c-PCL相比，生物复合材料的水解降解速率更高。此外，该速率对增强材料的类型、纳米级MFLC或微尺度WF非常敏感（图4a）。吸水率数据显示了纯c-PCL的低吸收率，而基于WF的生物复合材料的吸收率远远高于其他生物复合材料（图4b）。这些结果表明，木质纤维素纤维除了作为聚合物增强材料外，还可以强烈地促进基质降解行为。

图4 生物复合材料中水解降解和吸水性能评估

综上，本文通过绿色反应加工产生的高纤维含量生物复合材料更有利于可持续发展。从循环经济的角度来看，生物基脂肪族聚酯作为生物复合材料的聚合物基质很有吸引力。聚乳酸由于其优异的机械性能，有竞争力的价格和广泛的可用性，是一种特别理想的候选者。总体而言，本方法允许提高机械性能，并建议在循环材料经济中将含木质素木纤维的环保可降解生物复合材料作为塑料和聚乙烯基生物复合材料的替代品。

文章来源：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-33283-z

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