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华南理工团队研发出一种高强高韧木质素基生物聚酯弹性体

文章来源：更新时间：2024-04-22 21:24:24

开发源于可再生资源的生物基材料是解决环境污染和缓解化石资源短缺的关键战略途径。生物基材料取代石油基材料并实现广泛应用，可减少温室气体排放，促进碳中和和可持续发展。目前，生物质化工的主流技术之一是将生物质转化为平台化学品，再合成材料。虽然这种方法易于实现对材料结构的精确控制，但产业链流程较长，成本较高。另一种途径是直接将生物质转化为材料，这种方法更具有经济性及能源效率优势，但在材料结构调控方面更具挑战性。

近日，华南理工大学刘伟峰研究员和广东工业大学邱学青教授团队通过整合木质素的天然结构功能和成本优势，结合生物基平台化学品的结构调控灵活性，合成了一种高性能生物基聚酯弹性体。具体地，以生物基2,5-呋喃二甲酸（FDCA）为原料，合成低分子量柔性聚酯预聚物（PPeF），再引入扩链剂将PPeF接枝到木质素上，成功合成了一种多功能木质素改性聚酯弹性体（LFPEe）。

LFPEe表现出优异的力学性能，拉伸强度和断裂应变可达到58.9 MPa和610%，弹性恢复率达到88.9%以上，杨氏模量达到332 MPa，远高于商用聚酯弹性体、聚氨酯弹性体和聚烯烃弹性体，优于大多数先前报道的FDCA基聚酯，木质素基聚酯和木质素基聚氨酯弹性体材料。其优异力学性能归因于：木质素在聚酯体系中不相容形成的纳米微相分离结构，以及木质素与聚酯链段之间形成的界面动态氢键和动态共价键组成的动态双网络结构。

得益于木质素自身优异的光热功能，以及动态键的自愈特性，LFPEe可实现光热自愈合，并具有优异的光热驱动形状记忆功能。此外，引入木质素还赋予LFPEe优异的紫外线屏蔽性能、良好的热稳定性以及抗老化能力。在简单的加热条件下还能实现溶剂循环回收。

作为一种高生物基含量、高性能的多功能材料，新型木质素基聚酯弹性体有望作为石油基弹性体的替代品，在生物可降解智能材料领域显示出重要的潜力。该工作成功打破了FDCA基聚酯力学性能对高分子量的依赖，实现了由低分子量FDCA聚酯低聚物制备高性能生物基聚酯弹性体。此外，该工作也为木质素在高性能生物基聚酯弹性体开发中的创新设计和增值利用提供了新思路。

相关成果以“Ultra-strong and Tough Bio-based Polyester Elastomer with Excellent Photothermal Shape Memory Effect and Degradation Performance”为题，近期发表在 Advanced Functional Materials上。论文第一作者为华南理工大学化学化工学院2021级硕士生孙丹婷，华南理工大学刘伟峰和广东工业大学邱学青为论文共同通讯作者。成果得到国家自然科学基金项目（22038004，22222805，22078116，U23A6005）、广东省重点研发计划项目（2020B1111380002）、广东省化学与精细化工实验室揭阳中心资助。

近年来，作者团队专注于木质素在高分子材料中的高值利用研究，在木质素改性橡胶、塑料、聚氨酯、表面活性剂等体系，利用木质素本身的天然结构和功能优势，实现了对不同高分子体系的增强增韧高性能化及功能化，为木质素这一大宗工业生物质资源在材料领域的高值利用探索新理论和新方法，相关成果获得了系列授权发明专利，欢迎交流合作，推动应用转化。

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