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  我國是世界上玉米秸稈資源最豐富的國家之一，每年玉米秸稈的產(chǎn)量超過9億多噸。隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展以及資源的緊缺，玉米秸稈的利用越來越受到重視，可是由于玉米秸稈中皮、髓、葉的成分含量以及物理性質(zhì)的差異，導(dǎo)致玉米秸稈整稈利用效果不佳，限制了其應(yīng)用廣度，特別是玉米秸稈髓特殊的結(jié)構(gòu)和成分，成為秸稈中最難利用的部分。如何充分高效利用具有超輕、天然多孔、各向異性結(jié)構(gòu)的玉米秸稈髓成為具有一定挑戰(zhàn)性和實(shí)踐價(jià)值的課題。

  近日，大連工業(yè)大學(xué)輕工與化學(xué)工程學(xué)院王海松教授團(tuán)隊(duì)巧妙地利用玉米秸稈髓的天然結(jié)構(gòu)，使用FeCl₃溶液預(yù)處理引入Fe³⁺離子并溶出部分木質(zhì)素和半纖維素打開孔道，將溶有不飽和單體丙烯腈（AN）的溶液在負(fù)壓條件下擴(kuò)散到玉米秸稈髓的內(nèi)部，通過光引發(fā)構(gòu)建含有Fe³⁺和腈基（CN-）、Fe³⁺離子和羥基（OH-）動(dòng)態(tài)可逆共價(jià)鍵的聚丙烯腈-纖維素網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用Fe-CN、Fe-OH交聯(lián)點(diǎn)的可逆斷裂與重構(gòu)，制備出具超高彈性和抗疲勞性生物基彈性體（圖1），在50%應(yīng)變壓縮下循環(huán)100次，彈性回復(fù)率仍達(dá)到94%以上（圖2），并展示了其在緩沖包裝、油水分離和生物傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用效果。相關(guān)工作以“Composited Gels from Nature Growing Scaffold: Synthesis, Properties, and Application”為題發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces（2021, DOI: 10.1021/acsami.0c18504）。

圖1 以玉米秸稈髓為模板制備超輕高性能彈性體的過程及機(jī)理

圖2 玉米秸稈髓彈性體實(shí)物電鏡圖及不同條件下的壓力壓縮曲線

  首先，作者自行設(shè)計(jì)了一個(gè)壓力緩沖包裝評(píng)價(jià)系統(tǒng)，對(duì)比了最常用的洗衣機(jī)裝箱用緩沖泡沫、同樣大小的彈簧在不同壓力和沖擊次數(shù)情況下的緩沖效果和壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線（圖3），玉米秸稈生物基彈性體材料在多次快速的沖擊下仍然保持了良好的彈性回復(fù)率，并且相比遵循胡克定律的彈簧具有更緩慢和柔性的能量吸收和耗散，對(duì)抗外力沖擊具有良好的緩沖能力和抗疲勞性能，在綠色可降解生物基緩沖包裝領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖3 玉米秸稈髓彈性體與緩沖泡沫和彈簧在不同壓力下循環(huán)壓縮緩沖效果對(duì)比圖

  然后，作者采用經(jīng)典的氣相沉積（CVD）法將工業(yè)堿木質(zhì)素引入到制備的玉米秸稈髓彈性體中，彈性體表面的水接觸角（WCA）達(dá)到了142°，以正己烷和氯仿為代表的輕油和重油油水分離效果實(shí)驗(yàn)表明：CVD沉積木質(zhì)素的玉米秸稈髓生物基彈性體是良好的油水分離材料（圖4），不僅廣泛應(yīng)用于各種類型輕油和重油的分離回收，還可以在簡單的擠壓之后除去吸附的油實(shí)現(xiàn)多次循環(huán)使用。

圖4 氣相沉積木質(zhì)素的玉米髓彈性體水接觸角及其在油水分離中的應(yīng)用

  最后，作者還嘗試將聚苯胺溶液滲透到制備的玉米秸稈髓彈性體多孔材料中，探索了其作為一種各向異性生物基傳感器在監(jiān)測壓力變化方面的應(yīng)用（圖5）。結(jié)果表明，摻雜了聚苯胺的彈性體不僅壓縮回彈性未受到影響，具有良好的壓力敏感度和抗疲勞特征，而且繼承了玉米秸稈髓模板的各向異性，在徑向方向和生長方向上的壓縮有明顯不同的監(jiān)測信號(hào)，在記錄單向運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和對(duì)生物相溶性有一定要求的傳感監(jiān)測方面具有應(yīng)用潛力。

圖5 玉米秸稈髓彈性體作為生物基傳感器監(jiān)測單方向壓力變化示意圖

  論文的第一作者為大連工業(yè)大學(xué)輕工與化學(xué)工程學(xué)院在讀博士研究生孟毅，通訊作者為大連工業(yè)大學(xué)生物基纖維材料與化學(xué)品團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人王海松教授。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、遼寧省自然科學(xué)基金及遼寧省百千萬人才工程項(xiàng)目的資助。

  論文信息：Yi Meng, Fuyu Song, Hang Chen, Yi Cheng, Jie Lu and Haisong Wang*, Composited Gels from Nature Growing Scaffold: Synthesis, Properties and Application. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, DOI: 10.1021/acsami.0c18504

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c18504