導(dǎo)讀:
具有加熱軟化、冷卻硬化特性的塑料，統(tǒng)稱為熱塑性塑料。我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫拇蟛糠炙芰蠈儆谶@個(gè)范疇。加熱時(shí)變軟以至流動(dòng)，冷卻變硬，這種過(guò)程是可逆的，可以反復(fù)進(jìn)行。
近日，美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員用來(lái)自于植物的木質(zhì)素取代了abs塑料中的苯乙烯，開(kāi)發(fā)出了一種新的更好的熱塑性塑料——ABL(acrylonitrile-butadiene-lignin的首字母縮寫(xiě))。
他們發(fā)明了一種無(wú)溶劑的生產(chǎn)工藝，使分散在合成橡膠基質(zhì)中的納米尺寸的木質(zhì)素互相連接，產(chǎn)生了可熔、可模制的堅(jiān)韌材料，比abs至少堅(jiān)韌十倍。ABL還可以回收，在熔化三次后仍表現(xiàn)良好。這個(gè)研究結(jié)果發(fā)表在《Advanced Functional Materials》雜志上，可能會(huì)為不同的制造商提供更清潔、更便宜的原料。
“這種新的熱塑性塑料的性能比ABS這樣的商業(yè)化塑料更好，”該文章的通訊作者Amit Naskar說(shuō)，他與第一作者Chau D. Tran已為這項(xiàng)新材料申請(qǐng)了專利。“我們可以把它稱為綠色環(huán)保產(chǎn)品，因?yàn)槠?0%的部分是可再生的，這使其商業(yè)化過(guò)程可以減少對(duì)石油化工品的需求。”
為了開(kāi)發(fā)這種材料，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)需要解決幾個(gè)問(wèn)題：是否可以克服木質(zhì)素原料的多樣性，以得到性能優(yōu)越的塑料產(chǎn)品?木質(zhì)素能否順利地整合入軟聚合物基質(zhì)?如何更好地理解木質(zhì)素衍生聚合物的化學(xué)和物理性質(zhì)，以便更好的控制它們的性能?產(chǎn)生木質(zhì)素衍生聚合物的方法可否改造?
“木質(zhì)素是一種非常脆弱的天然高分子，所以需要將其增韌，”Naskar解釋說(shuō)。該團(tuán)隊(duì)的一個(gè)主要目標(biāo)是生產(chǎn)足夠強(qiáng)韌的工業(yè)聚合物，以使其在變形過(guò)程中不會(huì)破裂。
各種木質(zhì)素在熱穩(wěn)定性上也各不相等。科學(xué)家們?cè)u(píng)估了來(lái)自于麥秸、軟木(如松樹(shù))和硬木(如橡樹(shù))的木質(zhì)素，他們發(fā)現(xiàn)硬木來(lái)源的木質(zhì)素?zé)岱€(wěn)定性最佳，而某些類型的軟木木質(zhì)素也能在熔融狀態(tài)下保持穩(wěn)定。
接下來(lái)，研究人員需要將木質(zhì)素與軟聚合物基質(zhì)結(jié)合。通常情況下，化學(xué)家通過(guò)在溶劑的存在下合成聚合物來(lái)實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程。不過(guò)因?yàn)槟举|(zhì)素和含有丙烯腈和丁二烯的合成橡膠(稱為丁腈橡膠)都具有電子不均勻分布的化學(xué)基團(tuán)，有可能發(fā)生相互作用，因此Naskar和Chau Tran嘗試在無(wú)溶劑條件的熔融態(tài)下融合這兩種物質(zhì)。
同時(shí)研究人員也在優(yōu)化ABL塑料的組分和生產(chǎn)工藝，他們發(fā)現(xiàn)丙烯腈占41%的合成橡膠基質(zhì)能夠使ABL達(dá)到韌性和剛性的最佳平衡，各組分的混合溫度在140和160攝氏度之間時(shí)效果最優(yōu)。
塑料大概是化學(xué)家們創(chuàng)造出來(lái)的應(yīng)用最廣泛的材料之一，以ABS塑料為例，這種熱塑性聚合物由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯組成，輕巧且堅(jiān)固，廣泛地用在汽車(chē)保險(xiǎn)杠、通風(fēng)管道、安全帽、廚房電器、樂(lè)高積木等等許多產(chǎn)品中。不過(guò)生產(chǎn)這種塑料的原料需要從石油衍生化學(xué)品中獲得，這與當(dāng)下強(qiáng)調(diào)的可持續(xù)性發(fā)展不太對(duì)路。
研究人員發(fā)現(xiàn)最終的材料包括木質(zhì)素形成的5-100 nm的薄片和高模量的橡膠界面，最終材料的屈服應(yīng)力高達(dá)15–45 MPa。該團(tuán)隊(duì)未來(lái)的研究將探索不同的原料，特別是生物質(zhì)的工業(yè)廢料用于ABL的可能性。
