木质素纳米粒子将纤维素与疏水聚合物结合用于高级应用的可持续配方

阿尔托大学的生物产品化学团队设计了一种可持续的方法来生产坚固而柔韧的纤维素薄膜，即使在潮湿时也能保持其强度。该材料通过创新组合木基和可生物降解聚合物制成，无需任何化学改性，最大限度地发挥每个成分的优势。对于本研究的合著者来说，可持续性是理解这些材料如何协同工作以及开发具有我们今天所期望的功能的未来材料的重要动力。

来自植物细胞壁的纤维素材料已成为传统塑料的有吸引力的可持续替代品。然而，纤维素的湿度敏感性及其与许多软疏水聚合物的不相容性是其广泛应用的挑战。

从材料设计的角度来看，在不对原材料进行任何化学处理的情况下同时获得亲水性纤维素和疏水性聚合物的好处是令人费解的。但是，如果我们可以设计它们与第三种成分的界面，与纤维素和聚己内酯(PCL)等软聚合物有良好的相互作用呢?

为了实现这一目标，该团队证明了具有明确形态和活性表面位点的木质素纳米颗粒可以与纤维素(在这种情况下为纤维素纳米纤丝)和PCL相互作用，并充当亲水性纤维素和疏水性PCL之间的增容剂。虽然看起来很复杂，但解决方案很简单。

首先，将溶解在有机溶剂中的PCL与水中的木质素纳米颗粒混合。木质素颗粒在油水界面聚集并稳定乳液。用固体颗粒稳定的乳液称为皮克林乳液。然后在成膜之前将该乳液与水性CNF悬浮液混合。

Pickering乳液策略使聚合物在纤维素网络中均匀分散，提高了复合材料的湿强度和耐水性，同时保留了纤维素纤维或原纤维的所有积极特性。结果非常好：开发的复合材料在干燥和潮湿条件下都比纯CNF纳米纸或纯聚合物具有更高的强度，即使在将其完全浸入水中一天后也是如此。

“当胶卷从水中取出时，它看起来与放入水中时完全一样，”Kimiaei说。原因是疏水聚合物在木质素纳米粒子的帮助下现在覆盖了纤维素表面，保护它免受水的影响。

该复合材料的湿强度高达87MPa，这是在没有任何直接共价表面改性或合成添加剂的情况下开发的纤维素复合材料的最高湿强度。此外，该策略为开发的复合材料增加了额外的功能，例如紫外线屏蔽和抗氧化性能，使其在包装应用中变得有趣。

芬兰阿尔托大学的团队可以说是拥有世界领先的林业专家的国家，致力于充分利用这些自然和工业资源。“用森林建设未来需要致力于可持续森林管理并创造超出典型生物精炼和纸浆和造纸行业的附加价值之外创造额外的价值，”共同作者、阿尔托大学化学工程学院的博士生ErfanKimiaei说。

“了解木材成分的界面化学可能是充分利用这一宝贵资源来建设可持续未来的关键的关键，”MonikaÖsterberg教授补充道。

对于该领域的专家来说，这种方法为消除纤维素化学改性以赋予新功能的需要开辟了新的可能性，促进了森林自然资源的可持续利用。此外，这项研究为将亲水性纤维素与各种疏水性软聚合物相结合以设计仅使用可生物降解聚合物和木质纤维素材料的多功能纤维素基复合材料提供了通用基础，朝着完全可持续利用自然资源迈出了一大步。

作为后续行动，研究人员现在正在探索一个广泛的框架，以确定这种早期技术在环境和经济方面的可持续性作为后续行动，研究人员现在正在探索一个广泛的框架，通过整合技术经济和生命周期评估