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  全球每年生產(chǎn)超過3億噸塑料，但是只有大約2％的塑料被回收利用。塑料吸管被廣泛使用、體積小，回收價值低，幾乎從沒被回收。然而使用壽命僅一次的塑料吸管，填埋降卻需要幾百年。塑料吸管的大量使用所帶來的日益嚴(yán)重的環(huán)境問題不可忽視。目前市面上作為塑料吸管的替代品多為紙吸管，但紙吸管有水穩(wěn)定性差，防水蠟層的成本高，使用感差等缺點(diǎn)。

  近期，美國馬里蘭大學(xué)李騰教授課題組與胡良兵教授課題組合作，受天然木材中纖維素和木質(zhì)素的材料性能增強(qiáng)原理的啟發(fā)，開發(fā)了高度水穩(wěn)定的纖維素-木質(zhì)素增強(qiáng)復(fù)合吸管。由交聯(lián)的苯基丙烷單元構(gòu)成的木質(zhì)素作為一種天然可降解的粘合劑，將纖維素纖維保持/結(jié)合在一起，形成堅(jiān)固而堅(jiān)韌的木材基質(zhì)，并賦予材料優(yōu)異的疏水性能。該材料中所有原料均來自天然產(chǎn)物，成本低廉，可自然降解。該成果以Strong, Hydro-Stable and Degradable Straws Based on Cellulose-Lignin Reinforced Composites 為論文題目發(fā)表在Small (DOI: 10.1002/smll.202008011) 上。

  研究者把從市面獲得的廉價的纖維素微纖維，納米纖維和木質(zhì)素重新構(gòu)建，制得以74 wt％的纖維素和26 wt％的木質(zhì)素混合的濕紙幅。吸管由濕紙幅卷制，并在150oC的烤箱中烘烤，使木質(zhì)素均勻滲入纖維素纖維的孔中。與紙和塑料相比，纖維素-木質(zhì)素增強(qiáng)復(fù)合材料具有更高的水穩(wěn)定性和生物降解性。

圖1. (a)受天然植物啟發(fā)的纖維素-木質(zhì)素復(fù)合材料的示意圖。(b)纖維素-木質(zhì)素增強(qiáng)復(fù)合吸管。(c)對比紙張、塑料及纖維素-木質(zhì)素增強(qiáng)復(fù)合吸管的水穩(wěn)定性及可降解性 。

  纖維素-木質(zhì)素增強(qiáng)復(fù)合膜中的納米纖維填充了相鄰微纖維的孔隙，加熱誘導(dǎo)的木質(zhì)素熔化后形成覆蓋和互連纖維素纖維的滲濾網(wǎng)絡(luò)，從而形成緊密堆積的固體膜。加熱誘導(dǎo)過程不會破環(huán)纖維結(jié)構(gòu)，纖維素-木質(zhì)素增強(qiáng)復(fù)合秸稈仍可承受嚴(yán)重的彎曲變形。與纖維素膜、纖維素-木質(zhì)素復(fù)合膜及聚丙烯塑料相比，纖維素-木質(zhì)素增強(qiáng)復(fù)合膜具有更優(yōu)異的力學(xué)性能。自然降解實(shí)驗(yàn)表明纖維素-木質(zhì)素增強(qiáng)復(fù)合吸管具有優(yōu)異的可降解性。吸水實(shí)驗(yàn)表明，纖維素-木質(zhì)素增強(qiáng)復(fù)合吸管中疏水性木質(zhì)素顆粒增強(qiáng)了吸管的疏水性，降低了水分在吸管中的浸潤速度，并使材料具有更優(yōu)異的濕強(qiáng)度。

  纖維素-木質(zhì)素增強(qiáng)復(fù)合吸管所展現(xiàn)出的各項(xiàng)性能明顯優(yōu)于當(dāng)前的商用紙吸管，并且與商用塑料吸管相當(dāng)。以低成本的可持續(xù)的生物質(zhì)材料為基礎(chǔ)構(gòu)建的纖維素-木質(zhì)素增強(qiáng)復(fù)合吸管可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，是對環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響的石油衍生的塑料產(chǎn)品的一個更有效的替代產(chǎn)品。

圖2. (a-f)纖維素膜、纖維素-木質(zhì)素復(fù)合膜及纖維素-木質(zhì)素增強(qiáng)復(fù)合膜的表面及截面的掃描電鏡圖。(g-i)纖維素膜、纖維素-木質(zhì)素復(fù)合膜及纖維素-木質(zhì)素增強(qiáng)復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)示意圖。(j-l)纖維素膜、纖維素-木質(zhì)素復(fù)合膜及纖維素-木質(zhì)素增強(qiáng)復(fù)合膜的XRD、FTIR和UV透過研究結(jié)果。

圖3. (a-d) 纖維素、纖維素-木質(zhì)素復(fù)合膜、纖維素-木質(zhì)素增強(qiáng)復(fù)合膜及聚丙烯塑料的力學(xué)性能對比。(e) 纖維素-木質(zhì)素增強(qiáng)復(fù)合膜及聚丙烯塑料的自然降解性能對比。

圖4. (a) 浸沒在水中的纖維素吸管、纖維素-木質(zhì)素復(fù)合吸管、纖維素-木質(zhì)素增強(qiáng)復(fù)合吸管。(b-c) 表面接觸角測試結(jié)果。(d-e) 纖維素、纖維素-木質(zhì)素復(fù)合膜、纖維素-木質(zhì)素增強(qiáng)復(fù)合膜的濕力學(xué)性能及吸水性能。

  論文信息：Strong, Hydro-Stable and Degradable Straws Based on Cellulose-Lignin Reinforced Composites, Small (2021)

  https://doi.org/10.1002/smll.202008011

作者簡介：

  馬里蘭大學(xué)李騰教授團(tuán)隊(duì)（http://lit.umd.edu/）專注于高性能可持續(xù)材料、軟材料、低維納米材料、原子尺度催化劑、能源存儲材料等的設(shè)計(jì)與開發(fā)，相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature, Science, Nature Review Materials, Nature Nanotechnology, PNAS, PRL, JACS, Advanced Materials, Materials Today, Advanced Energy Materials 等國際頂級期刊，并于2018年榮獲被譽(yù)為“國際發(fā)明創(chuàng)造奧斯卡”的R&D100大獎，以及2019年馬里蘭大學(xué)年度發(fā)明獎（物理科學(xué)領(lǐng)域）。李騰教授現(xiàn)任馬里蘭大學(xué)先進(jìn)可持續(xù)材料與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室主任，Extreme Mechanics Letters副主編，榮獲國際工程科學(xué)學(xué)會青年科學(xué)家獎?wù)拢?016）。李騰教授在2006年和哈佛大學(xué)鎖志剛教授共同發(fā)起創(chuàng)建iMechanica.org,目前已經(jīng)成為國際力學(xué)領(lǐng)域用戶最多的網(wǎng)絡(luò)資源平臺。

  李騰教授的微信視頻號2020年7月5日開通 （微信視頻號：李騰教授），旨在分享科研心得，助力青年學(xué)者科研騰飛。每天發(fā)布的短視頻受到廣泛關(guān)注并被媒體采訪，迅速成為微信視頻號科研類頭部大號。

  2021年李騰教授推出【科研騰飛—大師訪談】系列直播訪談節(jié)目，邀請國際頂尖科學(xué)家，以訪談的形式和廣大科研人員分享個人成長之路、職業(yè)發(fā)展心得，和科研騰飛之道。前三期節(jié)目分別直播訪談了哈佛大學(xué)鎖志剛院士、浙江大學(xué)楊衛(wèi)院士、和中科院納米能源所王中林院士，直播間總觀眾人數(shù)超過5.2萬，點(diǎn)贊次數(shù)超過11萬，成為科研領(lǐng)域高關(guān)注度的“思想盛宴”。加李騰教授微信，第一時間收到【科研騰飛—大師訪談】節(jié)目的最新消息。