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华南理工大学王小慧教授、雷泽芃教授ACS Nano:“一石多鸟”策略打造新型纤维素塑料

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随着全球塑料产量持续增长,石油基塑料带来的资源枯竭和环境污染问题日益严峻。开发可再生生物质材料以替代部分传统塑料,是减少化石资源依赖和环境影响的关键一步。纤维素作为地球上最丰富的生物聚合物,虽潜力巨大,却因自身强烈的氢键网络而面临加工困难、易燃、易吸水、回收性差等挑战。当前纤维素基材料在阻燃性、机械强度和闭环回收方面仍存在明显不足,亟需一种综合性能均衡的创新解决方案。

近日,华南理工大学王小慧教授、雷泽芃教授提出了一种“一石多鸟”的设计策略,成功制备出具有本征阻燃性、可再加工和可循环回收的纤维素网络聚合物。该材料通过动态共价交联重构了纤维素的氢键网络,并原位引入磷/氮阻燃单元,实现了高强度(46–65 MPa)、自熄性、耐水耐溶剂、高热稳定性(起始分解温度281–301°C)和超低热膨胀系数(0.9–1.8 ppm K⁻¹)。更重要的是,动态连接键使得材料可通过温和酸解聚回收单体,克服了传统纤维素材料化学回收性差的问题,为可持续塑料替代品提供了新路径。相关论文以“Reprocessable and Recyclable Cellulosic Network Polymers with Intrinsic Flame Retardancy via Dynamic Covalent Cross-Linking”为题,发表在ACS Nano上,论文第一作者为Zhou Guowen。

研究团队首先通过示意图展示了CAA-DDPN的合成路线:微晶纤维素经乙酰乙酸酯化后,与含磷二胺交联剂DDPN通过动态烯胺键连接,形成具有阻燃单元的网络结构。该过程将纤维素从结晶态转变为无定形态,并通过热压获得透明薄膜。雷达图对比显示,CAA-DDPN在强度、热稳定性、阻燃性和耐溶剂性方面均优于再生纤维素膜和聚乳酸。

图1: “一石多鸟”设计策略与纤维素塑料特性。(a)CAA-DDPN粉末合成路线示意图。(b,c)通过动态化学修饰重构纤维素网络并同步引入阻燃单元。(d)热压得到的透明CAA-DDPN薄膜照片。(e)CAA-DDPN与纤维素膜和聚乳酸性能对比雷达图。

在合成与结构表征中,研究人员合成了含磷交联剂DDPN,并通过FT-IR和固态¹³C NMR证实了烯胺键的成功形成。XRD图谱显示纤维素从典型的I型结晶结构转变为宽泛的无定形衍射峰,表明其原有氢键网络已被动态共价网络取代。

图2: CAA-DDPN的合成与表征。(a)阻燃交联剂DDPN的合成路线。(b)CAA与CAA-DDPN的制备过程。(c)MCC、CAA与CAA-DDPN的FT-IR光谱,确认分子结构。(d)MCC与CAA-DDPN的固态¹³C NMR谱图。(e)XRD图谱显示纤维素从结晶态向无定形态的转变。

形态与性能分析显示,CAA-DDPN薄膜表面和截面均呈现连续致密结构,元素分布均匀。该膜具有显著的紫外阻隔能力(200–400 nm波段阻挡约99%),但可见光透光度有所下降。力学测试表明,CAA₁.₂-DDPN的拉伸强度达65.2 MPa,模量高,性能接近工程塑料聚碳酸酯。热重分析显示其热稳定性随交联度提高而增强,且热膨胀系数远低于常见塑料,在250°C高温下仍保持尺寸稳定。

图3: CAA-DDPN薄膜的形貌表征、热学与力学性能。(a)表面SEM图像。(b)截面SEM图像。(c)EDS元素分布图显示CAA-DDPN中各元素及其分布。(d)透光率曲线。插图:CAA-DDPN的紫外阻隔性能照片。(e)再生纤维素膜与CAA-DDPN薄膜的拉伸应力-应变曲线。(f)CAA-DDPN与传统商用塑料力学性能对比。(g)热重微分曲线。(h)CAA-DDPN与常用石油基塑料的热膨胀系数对比。(i)30°C与250°C下的视觉热尺寸稳定性测试。

动态热机械分析表明,CAA-DDPN具有明显的玻璃化转变温度,且随着温度升高,动态键交换反应加速,使其具备良好的热再加工性。破碎后的样品经热压可重新成型为致密薄膜,两次循环后力学性能恢复率接近70%,但随循环次数增加,性能逐渐下降,这与糖环焦糖化和不可逆键断裂有关。

图4: 动态机械分析与热再加工性。(a)CAA-DDPN的储能模量随温度变化。(c)通过应力松弛行为计算得到的键交换活化能。(d)破碎样品热压再成型示意图。(e)热诱导拓扑结构重排示意图。(f)再成型后拉伸强度与应变恢复情况。

在阻燃性能方面,垂直燃烧测试中,CAA-DDPN膜难以点燃且能在2秒内自熄,而PLA和纤维素膜迅速燃烧殆尽。微燃烧量热测试显示其热释放速率和总热释放量显著降低,极限氧指数高达29.6%,达到难燃材料标准,这归因于燃烧表面形成的致密炭层和含磷气体阻燃机制。

图5: 本征阻燃性。(a)PLA、再生纤维素膜与CAA₁.₂-DDPN薄膜垂直燃烧实物图。(b)微燃烧量热测试中的热释放速率曲线。(c)石油基塑料、生物塑料与CAA-DDPN的极限氧指数对比柱状图。

在耐久性与降解性方面,CAA-DDPN表现出优异的耐水性,接触角达59.8°,吸水率仅为6.9%,远低于纤维素膜。其在多种有机溶剂中浸泡7天仍保持结构完整,力学性能保留90%以上。此外,材料可在0.5 M硫酸中完全解聚回收单体,实现闭环化学循环;土壤埋藏实验显示,CAA-DDPN在150天内具有可降解趋势,质量损失最高达37.8%,体现了使用阶段稳定、废弃后可降解的环境友好特性。

图6: 耐水/溶剂性与降解性。(a)CAA-DDPN与纤维素膜在10分钟内的水接触角测量。(b)CAA-DDPN与纤维素膜随时间变化的水吸收率。(c)CAA₁.₂-DDPN薄膜的有机溶剂耐受性。(d)CAA-DDPN网络的酸解机理。(e)CAA与回收单体的¹H NMR谱图对比。(f)PLA、纤维素膜与CAA-DDPN在150天内的质量损失曲线。

综上所述,这项研究通过动态共价交联与阻燃单元原位集成,成功开发出兼具高强度、高稳定性、本征阻燃、可再加工与全生命周期可循环的纤维素基网络聚合物。该材料不仅性能媲美工程塑料,更在可持续性与安全性方面展现出显著优势,为替代石油基塑料提供了具有实际应用前景的绿色材料解决方案。

来源:高分子科学前沿

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