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小小纤维素有着“大本事”:做塑料、做闪光材料、还能做燃料

时间:2022-06-01   访问量:1614

近年来,围绕纤维素的科学研究日益增多。作为传统塑料的替代品之一,纤维素含量丰富,每年产量高达 7.5×10^10 吨以上,是人类宝贵的可再生资源。目前纤维素及其衍生产品主要被用在包装、涂层、生物医学、废水处理、能源和电子领域。


那么,纤维素具体有哪些神奇的应用呢,一起来盘点一下吧!


1、纳米纤维素新型仿生材料问世!性能远超传统塑料


近日,中国科学技术大学俞书宏院士团队运用仿生结构设计理念,发展出一种被称为 “定向变形组装” 的新材料制造方法,该团队采用上述方法将纤维素纳米纤维和二氧化钛包覆的云母片复合,制备出具有仿生结构的高性能可持续结构材料,具有比石油基塑料更好的机械性能与热性能,有望成为塑料的替代品。


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该研究论文一作管庆方博士告诉 DeepTech,这种新材料采用仿珍珠母的结构设计,该仿生设计可有效改善材料的力学性能,并能制备出基于普通天然物质的高性能材料,且兼具高强度和高韧性的优良特性。


实验表明,该仿生结构材料既具有远高于工程塑料的强度,又有很强的韧性和抗裂纹扩展性能。在零下 130 摄氏度至零上 150 摄氏度的温度范围内,其尺寸不会发生变化,与塑料的剧烈收缩和膨胀形成鲜明对比。在室温下,它的热膨胀系数仅为大多数塑料的约十分之一。


现代生活紧密地依赖于塑料,然而塑料的数量巨大,这些塑料大部分来自石油化工。对于这些复杂的环境问题,虽然没有灵丹妙药,但通过仿生结构设计提升生物基材料性能,可以成为一种有前途的策略。


2、纤维素制成闪光材料无毒可降解 或彻底改变化妆品行业


活中有很多闪闪发光的包装,化妆瓶、水果盘等等,但它们很多是由有毒和不可持续的材料制成的,会造成塑料污染。*近,英国剑桥大学的研究人员找到了一种方法,可以从纤维素(植物、水果和蔬菜的细胞壁的主要组成部分)中制造出可持续、无毒、且可生物降解的闪光剂。相关论文发表在11日的《自然·材料》杂志上。


这种闪光剂由纤维素纳米晶体制成,是通过结构色来改变光线,从而焕发出鲜艳的颜色。在自然界中,譬如蝴蝶翅膀和孔雀羽毛的闪光,都是结构色的杰作,这种色彩经历一个世纪也不会褪色。


研究人员称,利用自组装技术,纤维素可以产生色彩鲜艳的薄膜。通过优化纤维素溶液和涂层参数,研究小组能够完全控制自组装过程,从而使材料可以成卷地大规模制造。他们的工艺与现有的工业规模机器兼容。使用商业上可获得的纤维素材料,只需几个步骤就能转化为含有这种闪光剂的悬浮液。


在大规模地生产出纤维素薄膜后,研究人员将它们研磨成用于制造闪光或效果颜料的大小的颗粒。这种颗粒可生物降解,不含塑料,无毒。此外,与传统方法相比,该过程的能源密集度要低得多。


他们的材料可用来替代化妆品中广泛使用的塑料闪光颗粒和微小的矿物颜料。传统颜料,如日常使用的闪光粉,属于不可持续材料,而且会污染土壤和海洋。一般的颜料矿物必须在800℃的高温下加热才能形成颜料颗粒,这也不利于自然环境。


3、新型纤维素丝制成的电子纺织品具有巨大潜力


据外媒New Atlas报道,由于材料和电子技术的进步,我们开始看到我们的衣服有一天可能不仅仅是为了保暖或保护我们免受风雨的侵袭。查尔姆斯理工大学的科学家通过开发一种由导电纤维素制成的新线,提供了一个令人信服的新例子,这种线可以加工成纺织品,产生各种用途的电力。


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“微型、可穿戴、电子小工具在我们的日常生活中越来越常见,”查尔姆斯理工大学化学和化学工程系的博士生Sozan Darabi说。“但目前,它们往往依赖于罕见的,或者在某些情况下是有毒的材料。它们也导致了电子垃圾‘大山’的逐渐堆积。目前确实需要有机的、可再生的材料用于电子纺织品。”


Darabi和团队此前曾在开发由丝绸制成的导电纤维方面取得了一定的成功,但现在他们将目光转向了纤维素,他们表示纤维素具有巨大的潜力。该技术从木质纤维素线开始,用基于一种名为PEDOT:PSS的导电生物相容性聚合物的墨水对其进行染色。这种 “卷对卷”的涂层过程将线变成了导电线,以至于该团队宣称其创造的纤维素线拥有创纪录的高导电性,而加入银纳米线后可以进一步提升导电性。


4、纳米纤维素和芒果制成的生物基塑料可提高食品保鲜期


西班牙加迪斯大学和葡萄牙阿威罗大学的研究人员共同研发出一种由纳米纤维素和芒果叶提取物制成的生物活性塑料。相较于传统非功能性塑料,可以延长食品保鲜期。这种包装旨在不使用化学添加剂的前提下,保持食物新鲜度。该生物可降解薄膜含有抗菌和抗氧化合物,可起到利于储存的屏障作用;同时可有效阻挡紫外线,延缓食品腐败。


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研究人员从西班牙马拉加热带和地中海园艺研究所农场修剪残留物中收集芒果叶片,将芒果叶提取物与造纸业废弃产品经过化学和酶处理后获取的纳米纤维素结合,通过超临界溶液浸渍技术形成这种新型薄膜。


研究团队通过体外试验测试这种生物活性薄膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌两种食品中常见病原体的抗菌性能。试验结果表明,生物活性膜中含有的芒果多酚类物质具有抗菌作用,可抑制病原菌传播,防止食品变质。此外,薄膜中的芒果提取物还有助于形成紫外线“屏障”,减少紫外线入射光,延缓食品腐败。


与传统塑料包装相比,超临界溶液浸渍技术形成的薄膜具有更加有效的物理化学和生物活性特质。在聚合物浸渍过程中可以更好溶解提取物:芒果叶提取物渗透到纳米纤维素表面的组成成分,促进活性化合物的迁移,缩短发挥防腐作用所用时间。该技术的另一个优点是,由于选择了芒果提取物中生物活性*强的化合物进行超临界浸渍,病原抑制作用更优。所以这种生物活性塑料中的化合物浓度高于传统技术下形成的塑料。


5、激光技术将纤维素转化为生物燃料


能源短缺问题是长期困扰人类社会发展的主要问题之一,据预测,地球上蕴藏的可供开发利用的煤和石油化石能源将分别在200年、30~40年内耗竭,而天然气按储采比也只能利用60年。同时,煤、石油、天然气带来的环境气候问题日益突出,因此开发有效的化石燃料替代品变得至关重要。


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纤维素是世界上*丰富的天然有机物,麻、麦秆、稻草、甘蔗渣等,都是纤维素的丰富来源。作为植物生物质的主要成分,它每年以约1640亿吨的速率再生,其所含能量相当于石油产量的15~20倍。这些储量丰富的纤维素类生物质可水解成糖再通过化学或生化法转化成燃料酒精、糠醛、乙苯丙酸等液体燃料和化学品,可以改变传统能源结构,为人类提供绿色能源和化工产品。


生物质燃料是一种可再生的新能源,对其进行开发利用不仅能缓解能源危机,还可以减轻环境污染。但是,由于纤维素类生物质分子的刚性和致密结构使其不溶于水,因此其降解过程极具挑战性。截至目前,全球的化学家和生物技术人员已经使用了诸如微波辐射,水解和超声处理之类的常规技术来降解这种聚合物,但是这些过程都需要比较严格极端的条件,因此是不可持续的。


近日,东京科技大学、京都大学高级能源研究所、日本大学量子科学研究所电子束研究与应用实验室、立命馆大学SR中心的研究人员,开发了一种新纤维素降解技术,它基于无红外电子激光器(IR-FEL)的其激光器的波长在3~20μm范围内且可调,相关研究成果已发表于《能源与燃料》杂志。


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