作為天然的(de)可(ke)再生資(zi)源，生物(wu)質的(de)綠(lv)色(se)(se)化(hua)學轉化(hua)和(he)功能化(hua)是綠(lv)色(se)(se)化(hua)工的(de)重要研(yan)究領域，其中的(de)生物(wu)質溶解、分(fen)離與加工，以(yi)及(ji)新的(de)綠(lv)色(se)(se)功能材(cai)料(liao)的(de)制備引起(qi)了大家廣(guang)泛的(de)關注。近日(ri)，我(wo)系閆立峰教授(shou)課題組在(zai)生物(wu)質整(zheng)體溶解綠(lv)色(se)(se)溶劑、可(ke)降解高(gao)性(xing)能全生物(wu)質膜、纖(xian)維素(su)高(gao)強度材(cai)料(liao)、木質素(su)基(ji)綠(lv)色(se)(se)粘合劑等方面取得系列進展。

首先針對自然(ran)(ran)界中含量(liang)第一的(de)(de)(de)天然(ran)(ran)高(gao)分子(zi)纖(xian)維素的(de)(de)(de)綠色(se)(se)溶劑(ji)難題(ti)，課題(ti)組在(zai)前期的(de)(de)(de)研究基(ji)礎上(shang)，設計了一種新型(xing)的(de)(de)(de)二酸-超堿離子(zi)液(ye)體(ti)綠色(se)(se)溶劑(ji)，可(ke)(ke)以高(gao)效溶解纖(xian)維素并同時制備多(duo)功能纖(xian)維素材(cai)料(liao)。該(gai)體(ti)系不再局限于單酸-超堿離子(zi)液(ye)體(ti)，創新性(xing)地(di)提出了新型(xing)二酸-超堿離子(zi)液(ye)體(ti)，可(ke)(ke)分別(bie)最(zui)大限度地(di) 15.2 wt% 的(de)(de)(de)微(wei)晶(jing)纖(xian)維素（DP = 260）和 9.3 wt% 的(de)(de)(de)脫(tuo)脂棉（DP = 685）（圖1），為纖(xian)維素的(de)(de)(de)綠色(se)(se)加工提出了八(ba)種新的(de)(de)(de)綠色(se)(se)溶劑(ji)體(ti)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(xing)二酸-超堿(jian)離子液體綠色溶劑

生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)是由纖(xian)維(wei)素、木質(zhi)(zhi)(zhi)素、半纖(xian)維(wei)素及其(qi)它組(zu)份形成的復雜(za)的有(you)(you)機體(ti)，其(qi)非降解(jie)型(xing)全溶解(jie)一(yi)直是制約其(qi)綜合利用的難題。特別是設(she)計和(he)(he)開發綠色溶劑至關重要。在前面研究(jiu)的基礎上(shang)，課題組(zu)的進一(yi)步研究(jiu)發現(xian)質(zhi)(zhi)(zhi)子離子液體(ti)丙二酸-DBU可(ke)實(shi)現(xian)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)的直接溶解(jie)，且適合于12種(zhong)不同來源的生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)，如(ru)秸稈(gan)、玉(yu)米芯、木材等。該體(ti)系具有(you)(you)良(liang)好的溶解(jie)能力(li)（10.2 wt%），得(de)到(dao)的溶液通過簡單的再生(sheng)(sheng)(sheng)和(he)(he)加工，可(ke)以制備出(chu)具有(you)(you)結構(gou)完整、高熱穩定(ding)性(xing)、高拉伸強度（107 MPa）、優良(liang)的紫外屏(ping)蔽(bi)（99%）、較(jiao)強的水穩定(ding)性(xing)和(he)(he)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)降解(jie)性(xing)的高性(xing)能全生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)膜（圖2），為發展全新(xin)的全生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)膜、纖(xian)維(wei)和(he)(he)塊體(ti)材料(liao)奠定(ding)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(rong)劑全溶(rong)解后(hou)再(zai)生的全生物(wu)質(zhi)生物(wu)可降解膜材料

木材(cai)(cai)(cai)粘(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)合(he)(he)劑(ji)(ji)(ji)在木制品領域具(ju)(ju)有(you)(you)重要作(zuo)用(yong)和(he)價值，全(quan)球市場巨大，目前常用(yong)的(de)(de)粘(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)合(he)(he)劑(ji)(ji)(ji)包括(kuo)酚醛(quan)(quan)(quan)樹(shu)脂(zhi)、脲醛(quan)(quan)(quan)樹(shu)脂(zhi)、環氧樹(shu)脂(zhi)和(he)異氰酸酯(zhi)類產品。其(qi)(qi)(qi)(qi)中酚醛(quan)(quan)(quan)樹(shu)脂(zhi)粘(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)合(he)(he)劑(ji)(ji)(ji)通常是(shi)用(yong)苯酚和(he)甲醛(quan)(quan)(quan)合(he)(he)成的(de)(de)，而這(zhe)兩種物(wu)質(zhi)都是(shi)石油基的(de)(de)，不(bu)能(neng)生(sheng)物(wu)降解(jie)。人們迫切(qie)需要一(yi)(yi)種綠(lv)色(se)環保的(de)(de)膠粘(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)劑(ji)(ji)(ji)來替(ti)代(dai)它。使(shi)用(yong)完全(quan)基于(yu)生(sheng)物(wu)質(zhi)的(de)(de)木質(zhi)素(su)(su)和(he)糠(kang)醛(quan)(quan)(quan)取代(dai)它們是(shi)很有(you)(you)吸(xi)引力的(de)(de)。然而，要完全(quan)取代(dai)它們仍有(you)(you)困難(nan)，尤(you)其(qi)(qi)(qi)(qi)是(shi)木質(zhi)素(su)(su)，因(yin)為(wei)(wei)(wei)其(qi)(qi)(qi)(qi)反(fan)應活性(xing)(xing)較低(di)而難(nan)以(yi)(yi)實(shi)現全(quan)木質(zhi)素(su)(su)替(ti)代(dai)苯酚的(de)(de)粘(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)合(he)(he)劑(ji)(ji)(ji)。課題組發(fa)展(zhan)了一(yi)(yi)種復(fu)合(he)(he)新(xin)(xin)(xin)型(xing)粘(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)合(he)(he)劑(ji)(ji)(ji)的(de)(de)制備(bei)方法。直接使(shi)用(yong)木質(zhi)素(su)(su)和(he)糠(kang)醛(quan)(quan)(quan)兩種均來自(zi)于(yu)生(sheng)物(wu)質(zhi)的(de)(de)組分(fen)為(wei)(wei)(wei)原(yuan)料(liao)，通過綠(lv)色(se)改性(xing)(xing)及聚(ju)(ju)合(he)(he)一(yi)(yi)體化，制備(bei)了一(yi)(yi)種新(xin)(xin)(xin)型(xing)的(de)(de)木質(zhi)素(su)(su)基復(fu)合(he)(he)粘(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)合(he)(he)劑(ji)(ji)(ji)。該(gai)粘(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)合(he)(he)劑(ji)(ji)(ji)對桐木板(ban)(ban)(ban)的(de)(de)粘(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)合(he)(he)強度達到5.71 MPa，遠(yuan)超0.7MPa的(de)(de)國家標準(zhun)（Boxiang Zhan, Long Zhang, Yongqi Deng, Lifeng Yan*. Multifunctional Lignin-based Composite Ultra-Adhesive for Wood Processing.Green Chem.,2023,25, 10061-10071）。該(gai)粘(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)合(he)(he)劑(ji)(ji)(ji)還具(ju)(ju)有(you)(you)出(chu)色(se)的(de)(de)阻(zu)燃(ran)性(xing)(xing)能(neng)，阻(zu)燃(ran)等級為(wei)(wei)(wei) V0，粘(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)合(he)(he)劑(ji)(ji)(ji)涂(tu)覆在木材(cai)(cai)(cai)表面時，可以(yi)(yi)使(shi)其(qi)(qi)(qi)(qi)極(ji)限氧指數達到 30%。有(you)(you)趣的(de)(de)是(shi)，它還具(ju)(ju)有(you)(you)出(chu)色(se)的(de)(de)隔(ge)熱(re)(re)和(he)光熱(re)(re)性(xing)(xing)能(neng)。在此(ci)基礎上，課題組進一(yi)(yi)步(bu)拓(tuo)展(zhan)該(gai)類粘(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)(zhan)合(he)(he)劑(ji)(ji)(ji)的(de)(de)應用(yong)領域，以(yi)(yi)各種生(sheng)物(wu)質(zhi)粉為(wei)(wei)(wei)原(yuan)料(liao)，實(shi)現了多種高性(xing)(xing)能(neng)顆粒板(ban)(ban)(ban)的(de)(de)制備(bei)，得(de)到的(de)(de)顆粒板(ban)(ban)(ban)具(ju)(ju)有(you)(you)高機械強度、阻(zu)燃(ran)、熱(re)(re)修(xiu)復(fu)、隔(ge)熱(re)(re)、耐(nai)水(shui)、防霉、低(di)成本等特性(xing)(xing)，特別是(shi)其(qi)(qi)(qi)(qi)可生(sheng)物(wu)降解(jie)的(de)(de)特性(xing)(xing)（圖3），為(wei)(wei)(wei)發(fa)展(zhan)替(ti)代(dai)石化基聚(ju)(ju)合(he)(he)物(wu)板(ban)(ban)(ban)材(cai)(cai)(cai)的(de)(de)新(xin)(xin)(xin)型(xing)生(sheng)物(wu)質(zhi)基復(fu)合(he)(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)提出(chu)了新(xin)(xin)(xin)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(zhi)素和糠(kang)醛為原料的(de)全綠色生(sheng)物(wu)質(zhi)基新型粘合劑及其(qi)高性能復合材料

2022年(nian)6月舉行的(de)全球發展高層對話針對目前面(mian)臨的(de)不可(ke)生(sheng)物降解(jie)塑(su)料(liao)問題，提出了“以(yi)竹(zhu)代塑(su)”的(de)重(zhong)要(yao)(yao)課題，引起(qi)了廣泛關注，特別(bie)是(shi)中國(guo)也將(jiang)此項工作(zuo)列入(ru)重(zhong)點。但其(qi)中一個(ge)需要(yao)(yao)迫切解(jie)決(jue)的(de)突出問題是(shi)尋找綠色的(de)粘(zhan)合(he)(he)劑。酚(fen)醛(quan)(quan)樹脂、脲醛(quan)(quan)樹脂等主流膠粘(zhan)劑中含有(you)有(you)害物質。開發環保且經濟有(you)效的(de)粘(zhan)合(he)(he)劑至關重(zhong)要(yao)(yao)。課題組(zu)利(li)用均來自生(sheng)物質的(de)木(mu)質素(su)和香草醛(quan)(quan)為原(yuan)料(liao)，合(he)(he)成(cheng)了一種新型的(de)木(mu)質素(su)基綠色粘(zhan)合(he)(he)劑，實(shi)現了對竹(zhu)子的(de)特殊粘(zhan)合(he)(he)強度(du)。與傳統的(de)替(ti)代品(pin)相(xiang)比，它可(ke)以(yi)與竹(zhu)粉高效結合(he)(he)，制備的(de)材(cai)料(liao)具(ju)有(you)低成(cheng)本、高機械強度(du)、保溫、防水、抗霉、和長期(qi)生(sheng)物降解(jie)性特性，特別(bie)是(shi)得到板(ban)材(cai)的(de)力(li)學(xue)性能全面(mian)超(chao)越(yue)目前市場上常用的(de)各種塑(su)料(liao)產品(pin)（圖4），為真正實(shi)現“以(yi)竹(zhu)代塑(su)”提供了新的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，該成(cheng)果近期(qi)發表(biao)于化工專業(ye)頂級期(qi)刊《化學(xue)工程雜志》(Chemical Engineering Journal，Chem. Eng. J.)。原(yuan)文鏈(lian)接：//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725023307。

圖4.采用(yong)木質素和香草醛為原料合成的(de)綠色(se)粘合劑及其用(yong)于竹(zhu)粉制備板材的(de)性(xing)能

該系列研(yan)究(jiu)得到了(le)科(ke)技部、國家自然(ran)科(ke)學(xue)基金和188bet足球的經費資助。188bet足球化學(xue)與材料科(ke)學(xue)學(xue)院研(yan)究(jiu)生詹(zhan)博翔(xiang)和張龍分別(bie)為第一作者，閆立峰教授為通訊(xun)作者。