【儀表網 研發快訊】作為天然的可再生資源，生物質的綠色化學轉化和功能化是綠色化工的重要研究領域，其中的生物質溶解、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注。近日，中國科學技術大學閆立峰教授課題組在生物質整體溶解綠色溶劑、可降解高性能全生物質膜、纖維素高強度材料、木質素基綠色粘合劑等方面取得系列進展。
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上，設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
生物質是由纖維素、木質素、半纖維素及其它組份形成的復雜的有機體，其非降解型全溶解一直是制約其綜合利用的難題。特別是設計和開發綠色溶劑至關重要。在前面研究的基礎上，課題組的進一步研究發現質子離子液體丙二酸-DBU可實現生物質的直接溶解，且適合于12種不同來源的生物質，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，可以制備出具有結構完整、高熱穩定性、高拉伸強度(107 MPa)、優良的紫外屏蔽(99%)、較強的水穩定性和生物降解性的高性能全生物質膜(圖2)，為發展全新的全生物質膜、纖維和塊體材料奠定了基礎(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生物可降解膜材料
木材粘合劑在木制品領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、環氧樹脂和異氰酸酯類產品。其中酚醛樹脂粘合劑通常是用苯酚和甲醛合成的，而這兩種物質都是石油基的，不能生物降解。人們迫切需要一種綠色環保的膠粘劑來替代它。使用完全基于生物質的木質素和糠醛取代它們是很有吸引力的。然而，要完全取代它們仍有困難，尤其是木質素，因為其反應活性較低而難以實現全木質素替代苯酚的粘合劑。課題組發展了一種復合新型粘合劑的制備方法。直接使用木質素和糠醛兩種均來自于生物質的組分為原料，通過綠色改性及聚合一體化，制備了一種新型的木質素基復合粘合劑。該粘合劑對桐木板的粘合強度達到5.71 MPa，遠超0.7MPa的國家標準(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達到 30%。有趣的是，它還具有出色的隔熱和光熱性能。在此基礎上，課題組進一步拓展該類粘合劑的應用領域，以各種生物質粉為原料，實現了多種高性能顆粒板的制備，得到的顆粒板具有高機械強度、阻燃、熱修復、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)，為發展替代石化基聚合物板材的新型生物質基復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.以木質素和糠醛為原料的全綠色生物質基新型粘合劑及其高性能復合材料
2022年6月舉行的全球發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。開發環保且經濟有效的粘合劑至關重要。課題組利用均來自生物質的木質素和香草醛為原料，合成了一種新型的木質素基綠色粘合劑，實現了對竹子的特殊粘合強度。與傳統的替代品相比，它可以與竹粉高效結合，制備的材料具有低成本、高機械強度、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性能全面超越目前市場上常用的各種塑料產品(圖4)，為真正實現“以竹代塑”提供了新的解決方案，該成果近期發表于化工專業頂級期刊《化學工程雜志》(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、國家自然科學基金和中國科學技術大學的經費資助。中國科學技術大學化學與材料科學學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。
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