华南理工大学刘伟峰副研究员：仿蜘蛛丝高强高韧全降解生物质高分子复合材料

华南理工大学刘伟峰副研究员以木质素磺酸盐为原料，制备出仿蜘蛛丝高强高韧全降解生物质/高分子复合材料，其拉伸断裂韧性高达173 J/g，达到天然蜘蛛丝水平，相关成果发表于《Advanced Functional Materials》。研究背景与挑战轻质高分子材料应用广泛，但废塑料造成的“白色污染”威胁生态环境和人类健康，开发可生物降解高分子材料是解决该问题的有效途径之一。然而，可生物降解材料存在强度和韧性不匹配的问题，制备高强度且高韧性的轻质高分子材料面临巨大挑战。自然界中的蜘蛛丝具有优异的刚性和韧性平衡，其拉伸强度最高可超过1GPa，断裂韧性可达150 - 190J/g。其优异性能源于多层级组装的纳米相分离结构和纳米晶相受限区域内密集有序的动态氢键作用，动态氢键作为能量牺牲键，可在拉伸过程中动态断裂与重构，伴随纳米颗粒相变形，在分子尺度上耗散能量，赋予材料超强韧性。近年来，国内外大量研究人员开展了蜘蛛丝、贻贝足丝等仿生材料的研究。向可降解的聚乙烯醇中添加纳米碳材料（如石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、碳量子点等）可实现增强，但复合材料韧性急剧下降；添加三聚氰胺、改性的SEBS嵌段共聚物等构筑动态氢键作用实现增强和增韧的方法，存在制备过程复杂、成本昂贵或降低PVA材料绿色可降解特性等问题。研究团队与成果受蜘蛛丝强韧机理启发，华南理工大学生物质资源化工团队的刘伟峰副研究员和邱学青教授以亚硫酸盐制浆产物木质素磺酸盐为原料，采用简单绿色的水溶液共混工艺，制备了高强高韧的木质素/PVA复合薄膜。该复合薄膜拉伸强度和杨氏模量分别达到98.2 MPa和3.37 GPa，拉伸断裂韧性高达173 J/g，是迄今为止文献中报道的韧性最高的PVA复合材料，达到了天然蜘蛛丝的韧性水平。成果原理分析纳米微相分离结构形成：利用木质素磺酸盐（LA）两亲性的分子结构，在水溶液中能自组装形成纳米微球，均匀分散在PVA基体中形成纳米微相分离结构。TEM分析发现，两亲性的LA分子可在PVA基体中分相形成4 nm左右的原生纳米粒子，这些原生纳米粒子进一步组装聚集形成400 - 500 nm左右的次级纳米球。应变诱导分散过程：外力作用下，次级纳米球随应变增加而逐步被拉开分散，散落成4 nm左右的原生粒子，这一过程被定义为应变诱导分散过程。在该过程中，LA原生纳米粒子与PVA基体之间通过大量的动态氢键作用，不断地耗散能量，抑制应力集中。受限动态氢键作用：结合小角光散射（SAXS）分析，在拉伸过程中发现LA原生纳米粒子与PVA基体之间的受限氢键作用，可有效约束PVA的无定型链段，促进链段的延伸和取向结晶。纳米微相分离、应变诱导分散和受限动态氢键协同增强被认为是PVA复合膜强度和韧性同时提高的原因。成果其他优势紫外吸收功能：由于木质素具有优异的紫外吸收功能，PVA中仅需添加2 - 5%的LA即可实现对紫外线全波段的吸收屏蔽，同时还能保持对可见光较好的透过率。热性能改善：LA的加入明显提高了PVA的热分解温度，降低了PVA的熔点，拓宽了PVA可熔融加工的窗口。研究意义与应用前景资源利用意义：木质素是植物中仅次于纤维素的第二大生物质资源，来源广泛。我国每年造纸和生物乙醇工业会产生超过2000万吨的工业木质素，但98%以上的工业木质素被直接燃烧，资源有效利用率极低。该方案采用价格低廉且天然可降解的绿色木质素为增强剂，应用于可降解聚乙烯醇材料，提高了工业木质素的利用率。应用领域：所得木质素/聚乙烯醇复合材料有望应用于可降解塑料、组织工程和紫外线屏蔽生物材料等领域。研究借鉴价值：该工作阐述了木质素在绿色功能高分子材料中应用的重要性，证实了工业木质素分子结构的特殊作用，为今后的木质素/高分子复合材料的理性设计提供了借鉴。研究团队信息该研究成果近期发表在国际著名材料期刊《Advanced Functional Materials》（IF = 13.325），论文通讯作者为华南理工大学化工学院生物质资源化工团队的刘伟峰副研究员，团队负责人邱学青教授为论文共同通讯作者，博士研究生张晓为论文第一作者。刘伟峰副研究员长期从事烯烃聚合反应工程、热塑性弹性体、智能高分子、生物质/高分子复合材料领域的研究，在烯烃聚合反应工程领域取得多项重要工业成果。