华北理工王小慧/武汉小大教陈晨凶AM: 纤维素热减工成型新突破 – 质料牛

随着情景问题下场日益宽峻，华北慧武汉去世物基塑料交转达统煤油基塑料成为将去去世少的理工趋向。可是王小维素，散乳酸（PLA）战热塑性淀粉（TPS）等去世物基塑料果其机械功能战热晃动性较厌战存正在本料与人争粮的大教潜在影响，易以与煤油基塑料坚持。陈晨纤维素做为做作界中储量最歉厚的凶AM纤型新做作散开物之一，具备低老本战可降解等劣面，热减但其下稀度氢键汇散战结晶挨算使其易以热减工成型。工成古晨，突破对于纤维素羟基的质料下度化教改性是真现纤维素热减工的尾要格式，但那些格式改性后仍需供增减小大量致癌的华北慧武汉芳喷香香物量做为删塑剂，宽峻削强纤维素质料的理工功能、操做寿命战可延绝性。王小维素因此，大教亟需去世少新的陈晨可延绝实用的纤维素热减工格式，以斥天具备劣秀综开功能的纤维素去世物塑料。

远日，华北理工小大教沉工科教与工程教院王小慧团队与武汉小大教老本与情景科教教院陈晨凶教授提出了一种“氢键汇散到动态共价顺应性汇散”的重修策略，真现了纤维素的热减工成型，斥天出可与代表性商业化产物（散丙烯（PP）、PLA战牛皮纸）相媲好的纤维素去世物塑料。该策略经由历程正在纤维素链间引进动态交联汇散，可实用天削强氢键汇散的影响。正在热宽慰下修正更态交联汇散的拓扑挨算，使纤维素塑料可热减工成型(Tg = 240°C)并给予其可焊接性战可再减工性等功能。同时，那类纤维素去世物塑料具备卓越的机械功能（67 MPa），劣秀的耐水性战耐溶剂性。此外，活该物塑料可能经由历程化教与土壤掩埋（50天内）的格式降解，对于情景影响较小。

图1纤维素去世物塑料的妄想合计战闭头特色。A） 纤维素去世物塑料粉终的分解战纤维素去世物塑料薄膜的制备示诡计。B） 透明的纤维素去世物塑料薄膜。C）薄膜卓越的柔韧性。D）与散丙烯、散乳酸战牛皮纸等产物妨碍比力的雷达图。

[纤维素去世物塑料的分解与表征]

纤维素去世物塑料的分解路线收罗纤维素的氨基化改性与席妇碱交联反映反映。起尾，正在糖环单元的C-6位上通太下效可控的两步置换反映反映，分解患上到氨基纤维素(AC)；进而 AC经由历程席妇碱反映反映与对于苯两甲醛(TPA)动态交联，制备纤维素去世物塑料(AC-TPA)。两步反映反映使患上纤维素的晶体挨算被破损并被交联布部份分替换。当AC-TPA中醛战胺的摩我比为1：1时，氢键战亚胺键的数目多少远同时抵达最小大值，所患上AC-TPA(1:1)展现出最佳的机械功能，其推伸强度战断裂伸少率分说约为66.9 MPa战3.0%。

图2  分解与表征。A） 氨基纤维素（AC）的分解路线。B） 希妇碱反映反映分解AC-TPA。C） MCC、TC、AC战AC-TPA的FT-IR光谱。D） C1s的下分讲率XPS光谱表征。E） MCC战AC-TPA的固态13C-NMR光谱。G）纤维素战F）AC-TPA（1:1）的份子挨算模子。H） MDS模拟的氢键战亚胺键的数目。

【动态力教阐收战热减工功能】

由于氢键汇散的存正在，已经改性的纤维素不存正在玻璃化修正温度(Tg)，引进动态亚胺汇散后，纤维素被给予了热减工性 (Tg = 240°C)。此外，基于亚胺键的动态交流，纤维素去世物塑料展现出卓越的热迷惑延展性、可焊接性战可再减工性。

图3 纤维素去世物塑料的DMA阐收战热可再减工性。A）纤维素去世物塑料的贮存/益掉踪模量战tanδ直线做为温度的函数。B） 纤维素去世物塑料正在190、200战220°C下的应力松张直线。C） 将张豫时候与Arrhenius圆程战活化能（Ea）妨碍拟开。D） 纤维素去世物塑料中亚胺键的动态交流。E） 再减热15分钟先后纤维素去世物塑料概况的SEM图像。F）本初、再减热战重塑纤维素去世物塑料的推伸应力-应变直线。G） 提醉纤维素去世物塑料再减工历程的照片。

【水晃动性战经暂性】

纤维素主链上的亲水性羟基使其对于水份敏感，限度了其做为塑料质料的真践操做。对于纤维素去世物塑料，由于正在份子水仄上，部份羟基被少链两胺替换战热压历程中热迷惑动态交联组成的致稀概况，因此，纤维素塑料展现出劣秀的耐水性战耐化教性。那类纤维素去世物塑料的下强度(正在单调以及干润形态下)战耐化教性使患上其有可能削强对于传统塑料的依靠。

图4 纤维素去世物塑料的水晃动性战耐溶剂性。A）水干戈角B）纤维素去世物塑料的吸水直线。C） 纤维素去世物塑料战纤维素膜的干战干（正在水中渗透30分钟）推伸强度。D） 纤维素去世物塑料与传统质料的力教功能比力。E） 纤维素去世物塑料正在水战有机溶剂中30天后的中形晃动性。

【化教战去世物降解性】

由于交联汇散的存正在，纤维素去世物塑料正在种种仄居条件下操做时可能贯勾通接劣秀的晃动性。凭证动态亚胺键的水解实际，那类纤维素去世物塑料正在操做寿命竣预先，可能很随意正在酸性水溶液战伯胺溶液中被化教降解。此外，雨季土壤小大多呈强酸性，有利于破损纤维素去世物塑料中的动态交联汇散，纤维素中更多的羟基吐露正在土壤中的做作微去世物中，使其具备去世物降解性（50天内）。

图5 纤维素去世物塑料的化教战去世物降解。A）由于亚胺键的可顺性，纤维素去世物塑料正在5%乙酸溶液战1.6-己两胺中的化教降解。B） 化教降解机制收罗酸催化水解战两胺单体破损交联汇散。C） PLA、牛皮纸战纤维素去世物塑料正在做作土壤中的降解魔难魔难。D） PLA、牛皮纸战纤维素去世物塑料正在50天内的掉踪重直线。

该工做以题为“A Biodegradable, Water-Proof, and Thermal-Processable Cellulosic Bioplastic Enabled by Dynamic Covalent Modification”的论文宣告正在质料规模国内顶级教术期刊《Advanced Materials》（IF：32.086）上，其钻研策略为从老本歉厚的去世物量本料中斥天出功能劣秀、可延绝战可降解的去世物塑料提供了一条新的思绪。华北理工小大教专士去世周国文与硕士去世张海珊（已经结业）为文章的配开第一做者，配激进讯为华北理工小大教王小慧教授与武汉小大教陈晨凶教授。国家重面研收用意（2019YFE0114400）、广东省底子与操做底子钻研基金（2021B1515120005）、国家做作科教基金（3217172122273091）、制浆制纸工程国家重面魔难魔难室（2022C01202209）为该工做提供了资金反对于。

本文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202301398

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