中国科大在生物质整体溶解与加工及绿色粘合剂方面取得系列重要进展

来源：中国科学技术大学时间：2025-03-24 22:54:19

作为天然的可再生资源，生物质的绿色化学转化和功能化是绿色化工的重要研究领域，其中的生物质溶解、分离与加工，以及新的绿色功能材料的制备引起了大家广泛的关注。近日，中国科学技术大学闫立峰教授课题组在生物质整体溶解绿色溶剂、可降解高性能全生物质膜、纤维素高强度材料、木质素基绿色粘合剂等方面取得系列进展。

首先针对自然界中含量第一的天然高分子纤维素的绿色溶剂难题，课题组在前期的研究基础上，设计了一种新型的二酸-超碱离子液体绿色溶剂，可以高效溶解纤维素并同时制备多功能纤维素材料。该体系不再局限于单酸-超碱离子液体，创新性地提出了新型二酸-超碱离子液体，可分别最大限度地 15.2 wt% 的微晶纤维素（DP = 260）和 9.3 wt% 的脱脂棉（DP = 685）（图1），为纤维素的绿色加工提出了八种新的绿色溶剂体系（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）。

图1.纤维素的新型二酸-超碱离子液体绿色溶剂

生物质是由纤维素、木质素、半纤维素及其它组份形成的复杂的有机体，其非降解型全溶解一直是制约其综合利用的难题。特别是设计和开发绿色溶剂至关重要。在前面研究的基础上，课题组的进一步研究发现质子离子液体丙二酸-DBU可实现生物质的直接溶解，且适合于12种不同来源的生物质，如秸秆、玉米芯、木材等。该体系具有良好的溶解能力（10.2 wt%），得到的溶液通过简单的再生和加工，可以制备出具有结构完整、高热稳定性、高拉伸强度（107 MPa）、优良的紫外屏蔽（99%）、较强的水稳定性和生物降解性的高性能全生物质膜（图2），为发展全新的全生物质膜、纤维和块体材料奠定了基础（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）。

图2.采用新型绿色溶剂全溶解后再生的全生物质生物可降解膜材料

木材粘合剂在木制品领域具有重要作用和价值，全球市场巨大，目前常用的粘合剂包括酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂和异氰酸酯类产品。其中酚醛树脂粘合剂通常是用苯酚和甲醛合成的，而这两种物质都是石油基的，不能生物降解。人们迫切需要一种绿色环保的胶粘剂来替代它。使用完全基于生物质的木质素和糠醛取代它们是很有吸引力的。然而，要完全取代它们仍有困难，尤其是木质素，因为其反应活性较低而难以实现全木质素替代苯酚的粘合剂。课题组发展了一种复合新型粘合剂的制备方法。直接使用木质素和糠醛两种均来自于生物质的组分为原料，通过绿色改性及聚合一体化，制备了一种新型的木质素基复合粘合剂。该粘合剂对桐木板的粘合强度达到5.71 MPa，远超0.7MPa的国家标准（Boxiang Zhan, Long Zhang, Yongqi Deng, Lifeng Yan*. Multifunctional Lignin-based Composite Ultra-Adhesive for Wood Processing.Green Chem.,2023,25, 10061-10071）。该粘合剂还具有出色的阻燃性能，阻燃等级为 V0，粘合剂涂覆在木材表面时，可以使其极限氧指数达到 30%。有趣的是，它还具有出色的隔热和光热性能。在此基础上，课题组进一步拓展该类粘合剂的应用领域，以各种生物质粉为原料，实现了多种高性能颗粒板的制备，得到的颗粒板具有高机械强度、阻燃、热修复、隔热、耐水、防霉、低成本等特性，特别是其可生物降解的特性（图3），为发展替代石化基聚合物板材的新型生物质基复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）。

图3.以木质素和糠醛为原料的全绿色生物质基新型粘合剂及其高性能复合材料

2022年6月举行的全球发展高层对话针对目前面临的不可生物降解塑料问题，提出了“以竹代塑”的重要课题，引起了广泛关注，特别是中国也将此项工作列入重点。但其中一个需要迫切解决的突出问题是寻找绿色的粘合剂。酚醛树脂、脲醛树脂等主流胶粘剂中含有有害物质。开发环保且经济有效的粘合剂至关重要。课题组利用均来自生物质的木质素和香草醛为原料，合成了一种新型的木质素基绿色粘合剂，实现了对竹子的特殊粘合强度。与传统的替代品相比，它可以与竹粉高效结合，制备的材料具有低成本、高机械强度、保温、防水、抗霉、和长期生物降解性特性，特别是得到板材的力学性能全面超越目前市场上常用的各种塑料产品（图4），为真正实现“以竹代塑”提供了新的解决方案，该成果近期发表于化工专业顶级期刊《化学工程杂志》(Chemical Engineering Journal，Chem. Eng. J.)。原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725023307。