科学研究

科研进展

由可再生的剑麻纤维制备热塑性生物基材料

发布时间:2020-08-05 访问次数:153

研究背景

  植物纤维是自然界中储量丰富、来源广泛的可再生生物质资源,其高值化综合利用一直是可持续发展研究的热点。然而由于植物纤维加工利用手段十分有限,主要采用传统切削加工方法,生产效率低,且产生大量的边角料,资源利用率低,而其他一些利用手段往往需要分离植物纤维的成分,不仅成本高,而且造成资源浪费。如对植物纤维进行热塑化改性,使其可像热塑性塑料一样易于加工成型,且可重复加工利用、可生物降解、性能优异,从而部分替代石油基聚合物,将有效解决当前日益严重的资源和环境问题。寻求环保、高效的植物纤维热塑化改性方法是实现这类天然高分子材料产业化生产和应用的关键所在,也是该领域研究的发展趋势。

成果简介

  植物纤维种类繁多、组织结构复杂,发展高效环保的预处理过程以制备尺度均一且反应活性更高的植物纤维化学改性原料是热塑性生物基材料产业化发展的关键的一步。其次,环保、温和的热塑化改性过程也是本研究领域持续探究的课题。华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室冯彦洪教授利用自制的连续闪爆的预处理设备开发高效的植物纤维预处理过程,该处理过程对植物种类适应性广泛,且分纤效果明显,可得到单细胞壁结构的植物纤维,同时可实现木质素的部分剥离和解聚,削弱木质素的屏蔽作用,该预处理过程可提供一种优异的化学改性原材料。进一步利用温和的水相氧化还原过程,实现多糖物质的开环反应,弱化组分间的氢键作用,减小结晶度,降低材料的玻璃化转变温度,以实现材料的热塑性。

 

图一 植物纤维基热塑性材料的制备,剑麻纤维(SF),闪爆剑麻纤维(SESF)

图二 改性纤维(左)及模压片材(中)微观形貌和力学性能图(右),反应程度逐渐增加

 

图三 热塑性植物纤维材料的挤出成型

  成果表明闪爆后的植物纤维反应效率提高,且产物得率更大,纤维形态保持更稳定,所得材料的力学性能显著提高;其次,木质素的解聚有利于促进玻璃化转变温度的降低,与半纤维素改性产物的内塑化效果携同提高材料的热塑化加工能力;进一步添加少量增塑剂,改善材料的流变性能可实现材料的挤出成型。该成果最近以 “Sustainable thermoplastic bio-based materials from sisal fibers”发表在了Journal of Cleaner Production期刊上,DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.121631,制浆造纸工程国家重点实验室为第一通讯单位。