研究背景

西南交通大學網5月5日訊：竹材作為天然農林生物質資源的代表性種類，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。作為農林生物質的主成分，木質纖維素具有復雜的“三素”締合結構：纖維素與半纖維素通過氫鍵結合，木質素與半纖維素以互穿結構形式靠部分化學鍵結合。現(xiàn)有研究多是基于“三素”的組分分離技術，提取纖維素組分后用于紡絲、制膜等生產場景；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

受天然植物結構中纖維素-半纖維素-木質素締合結構的啟發(fā)，西南交通大學化學學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，在竹生物質全組分溶解液再生成膜過程中橋接纖維素和木質素組分（圖1）。通過對竹粉溶解、凝膠化及再生過程以及TA@CNCs的結構調控，制得了高強度竹基復合膜材料。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合膜材料制備技術路線圖

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為代表的系列結構表征結果表明，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，經全組分再生即可制得的復合膜材料。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果的進一步解析，我們認為這種氫鍵網絡不僅存在于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增強的竹基復合膜

圖3 TA@CNCs增強竹基復合薄膜的力學強度及增強機理

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)纖維素分子和木質素納米顆粒間的跨尺度交聯(lián)，從而顯著提升竹基復合膜材料的力學強度。這一研究結果為高強度竹基膜材料的研發(fā)提供了新的學術思路和技術手段。相關成果以“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