【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】作為天然的可再生資源，生物質(zhì)的綠色化學(xué)轉(zhuǎn)化和功能化是綠色化工的重要研究領(lǐng)域，其中的生物質(zhì)溶解、分離與加工，以及新的綠色功能材料的制備引起了大家廣泛的關(guān)注。近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)閆立峰教授課題組在生物質(zhì)整體溶解綠色溶劑、可降解高性能全生物質(zhì)膜、纖維素高強(qiáng)度材料、木質(zhì)素基綠色粘合劑等方面取得系列進(jìn)展。
 

　　首先針對自然界中含量第一的天然高分子纖維素的綠色溶劑難題，課題組在前期的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型的二酸-超堿離子液體綠色溶劑，可以高效溶解纖維素并同時制備多功能纖維素材料。該體系不再局限于單酸-超堿離子液體，創(chuàng)新性地提出了新型二酸-超堿離子液體，可分別最大限度地 15.2 wt% 的微晶纖維素(DP = 260)和 9.3 wt% 的脫脂棉(DP = 685)(圖1)，為纖維素的綠色加工提出了八種新的綠色溶劑體系(Long Zhang, Boxiang Zhan, Yapeng He, Yongqi Deng, Haiyuan Ji, Shen Peng, Lifeng Yan*.Novel Diacid-superbase Ionic Liquids for Efficient Dissolving Cellulose and Simultaneous Preparation of Multifunctional Cellulose Materials.Green Chem.,2024, 26, 8794–8807)。
 

圖1.纖維素的新型二酸-超堿離子液體綠色溶劑
 

　　生物質(zhì)是由纖維素、木質(zhì)素、半纖維素及其它組份形成的復(fù)雜的有機(jī)體，其非降解型全溶解一直是制約其綜合利用的難題。特別是設(shè)計和開發(fā)綠色溶劑至關(guān)重要。在前面研究的基礎(chǔ)上，課題組的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)子離子液體丙二酸-DBU可實現(xiàn)生物質(zhì)的直接溶解，且適合于12種不同來源的生物質(zhì)，如秸稈、玉米芯、木材等。該體系具有良好的溶解能力(10.2 wt%)，得到的溶液通過簡單的再生和加工，可以制備出具有結(jié)構(gòu)完整、高熱穩(wěn)定性、高拉伸強(qiáng)度(107 MPa)、優(yōu)良的紫外屏蔽(99%)、較強(qiáng)的水穩(wěn)定性和生物降解性的高性能全生物質(zhì)膜(圖2)，為發(fā)展全新的全生物質(zhì)膜、纖維和塊體材料奠定了基礎(chǔ)(Long Zhang, Boxiang Zhan, Shangzhong Zhang, Haiyuan Ji, Shen Peng, Minghui Fan, Lifeng Yan*. Direct dissolution of lignocellulosic biomass by malonic acid-DBU protonic ionic liquid and preparation of high-performance all-biomass films.Green Chem.,2025, 27, 1789–1805)。
 

圖2.采用新型綠色溶劑全溶解后再生的全生物質(zhì)生物可降解膜材料
 

　　木材粘合劑在木制品領(lǐng)域具有重要作用和價值，全球市場巨大，目前常用的粘合劑包括酚醛樹脂、脲醛樹脂、環(huán)氧樹脂和異氰酸酯類產(chǎn)品。其中酚醛樹脂粘合劑通常是用苯酚和甲醛合成的，而這兩種物質(zhì)都是石油基的，不能生物降解。人們迫切需要一種綠色環(huán)保的膠粘劑來替代它。使用完全基于生物質(zhì)的木質(zhì)素和糠醛取代它們是很有吸引力的。然而，要完全取代它們?nèi)杂欣щy，尤其是木質(zhì)素，因為其反應(yīng)活性較低而難以實現(xiàn)全木質(zhì)素替代苯酚的粘合劑。課題組發(fā)展了一種復(fù)合新型粘合劑的制備方法。直接使用木質(zhì)素和糠醛兩種均來自于生物質(zhì)的組分為原料，通過綠色改性及聚合一體化，制備了一種新型的木質(zhì)素基復(fù)合粘合劑。該粘合劑對桐木板的粘合強(qiáng)度達(dá)到5.71 MPa，遠(yuǎn)超0.7MPa的國家標(biāo)準(zhǔn)(Boxiang Zhan, Long Zhang, Yongqi Deng, Lifeng Yan*. Multifunctional Lignin-based Composite Ultra-Adhesive for Wood Processing.Green Chem.,2023,25, 10061-10071)。該粘合劑還具有出色的阻燃性能，阻燃等級為 V0，粘合劑涂覆在木材表面時，可以使其極限氧指數(shù)達(dá)到 30%。有趣的是，它還具有出色的隔熱和光熱性能。在此基礎(chǔ)上，課題組進(jìn)一步拓展該類粘合劑的應(yīng)用領(lǐng)域，以各種生物質(zhì)粉為原料，實現(xiàn)了多種高性能顆粒板的制備，得到的顆粒板具有高機(jī)械強(qiáng)度、阻燃、熱修復(fù)、隔熱、耐水、防霉、低成本等特性，特別是其可生物降解的特性(圖3)，為發(fā)展替代石化基聚合物板材的新型生物質(zhì)基復(fù)合材料提出了新方案(Boxiang Zhan, Long Zhang, Yongqi Deng, Minghui Fan, Lifeng Yan*.Sustainable adhesives for ultra-composites from biomass powder.Chem. Eng. J.2024, 485, 149984)。
 

圖3.以木質(zhì)素和糠醛為原料的全綠色生物質(zhì)基新型粘合劑及其高性能復(fù)合材料
 

　　2022年6月舉行的全球發(fā)展高層對話針對目前面臨的不可生物降解塑料問題，提出了“以竹代塑”的重要課題，引起了廣泛關(guān)注，特別是中國也將此項工作列入重點。但其中一個需要迫切解決的突出問題是尋找綠色的粘合劑。酚醛樹脂、脲醛樹脂等主流膠粘劑中含有有害物質(zhì)。開發(fā)環(huán)保且經(jīng)濟(jì)有效的粘合劑至關(guān)重要。課題組利用均來自生物質(zhì)的木質(zhì)素和香草醛為原料，合成了一種新型的木質(zhì)素基綠色粘合劑，實現(xiàn)了對竹子的特殊粘合強(qiáng)度。與傳統(tǒng)的替代品相比，它可以與竹粉高效結(jié)合，制備的材料具有低成本、高機(jī)械強(qiáng)度、保溫、防水、抗霉、和長期生物降解性特性，特別是得到板材的力學(xué)性能全面超越目前市場上常用的各種塑料產(chǎn)品(圖4)，為真正實現(xiàn)“以竹代塑”提供了新的解決方案，該成果近期發(fā)表于化工專業(yè)頂級期刊《化學(xué)工程雜志》(Chemical Engineering Journal，Chem. Eng. J.)。原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725023307。
 

圖4.采用木質(zhì)素和香草醛為原料合成的綠色粘合劑及其用于竹粉制備板材的性能
 

　　該系列研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的經(jīng)費資助。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院研究生詹博翔和張龍分別為第一作者，閆立峰教授為通訊作者。