研究背景

西南交通大學(xué)網(wǎng)5月5日訊：竹材作為天然農(nóng)林生物質(zhì)資源的代表性種類，具有來源廣泛、可再生和可降解等優(yōu)點，是一種極具潛力的合成高分子材料替代資源。作為農(nóng)林生物質(zhì)的主成分，木質(zhì)纖維素具有復(fù)雜的“三素”締合結(jié)構(gòu)：纖維素與半纖維素通過氫鍵結(jié)合，木質(zhì)素與半纖維素以互穿結(jié)構(gòu)形式靠部分化學(xué)鍵結(jié)合?，F(xiàn)有研究多是基于“三素”的組分分離技術(shù)，提取纖維素組分后用于紡絲、制膜等生產(chǎn)場景；這類方案存在資源利用率低、工藝環(huán)保性差、能耗水耗高等問題。因此，探索竹基生物質(zhì)的環(huán)保高效全組分利用方法具有重要意義。

文章要點

受天然植物結(jié)構(gòu)中纖維素-半纖維素-木質(zhì)素締合結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，西南交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院周祚萬教授課題組以單寧酸改性的纖維素納米晶（TA@CNCs）代替半纖維素作為跨尺度橋聯(lián)劑，在竹生物質(zhì)全組分溶解液再生成膜過程中橋接纖維素和木質(zhì)素組分（圖1）。通過對竹粉溶解、凝膠化及再生過程以及TA@CNCs的結(jié)構(gòu)調(diào)控，制得了高強度竹基復(fù)合膜材料。當TA@CNCs增強體用量為5 wt%時所得竹基薄膜的力學(xué)強度達到127.2 MPa，相較于純竹基薄膜提升了130%。

圖1單寧酸@纖維素納米晶增強的竹基復(fù)合膜材料制備技術(shù)路線圖

本研究工作首先將單寧酸（TA）溶解于纖維素納米晶（CNCs）分散液中，經(jīng)室溫攪拌混合12 h后過濾洗滌，得到TA@CNCs。以圖2a為代表的系列結(jié)構(gòu)表征結(jié)果表明，TA分子中的羧基與CNCs表面暴露的羥基間形成氫鍵，從而包覆于CNCs表面。將TA@CNCs分散于預(yù)先制得的竹溶解液（竹粉溶解于DMSO/TBAH水溶液）中，隨后以去離子水為凝固浴，經(jīng)全組分再生即可制得的復(fù)合膜材料。紅外光譜（圖2b）表明，3347 cm-1附近代表-OH伸縮振動的吸收峰隨著TA@CNCs用量的提升而逐步紅移，這意味著TA@CNCs與竹膜基體間通過氫鍵交聯(lián)。通過對紅外光譜等表征結(jié)果的進一步解析，我們認為這種氫鍵網(wǎng)絡(luò)不僅存在于TA@CNCs與竹膜基體中的纖維素分子之間，同時還存在于TA@CNCs與木質(zhì)素C=O鍵之間。因此在竹溶解液全組分再生過程中，TA@CNCs納米顆粒能夠以氫鍵的形式橋聯(lián)纖維素分子和木質(zhì)素納米顆粒，起到跨尺度交聯(lián)的作用從而顯著提升膜材料的力學(xué)強度（圖3）。

圖2材料的紅外光譜：（a）TA@CNCs，（b）TA@CNCs增強的竹基復(fù)合膜

圖3 TA@CNCs增強竹基復(fù)合薄膜的力學(xué)強度及增強機理

綜上，本研究以單寧酸改性的纖維素納米晶（TA@CNCs）代替半纖維素作為跨尺度橋聯(lián)劑，在竹溶解液全組分再生過程中以氫鍵的形式實現(xiàn)纖維素分子和木質(zhì)素納米顆粒間的跨尺度交聯(lián)，從而顯著提升竹基復(fù)合膜材料的力學(xué)強度。這一研究結(jié)果為高強度竹基膜材料的研發(fā)提供了新的學(xué)術(shù)思路和技術(shù)手段。相關(guān)成果以“Biomimetic Bridging for Reconstructing Biomass Components toward Significantly Enhanced Films from the Full Composition of Bamboo”為題發(fā)表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering，DOI：10.1021/acssuschemeng.2c05692。論文的第一作者為碩士研究生樊倩丹，通訊作者為周祚萬教授。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.2c05692?fig=fig6&ref=pdf