導讀:
具有加熱軟化、冷卻硬化特性的塑料，統稱為熱塑性塑料。我們日常生活中使用的大部分塑料屬于這個范疇。加熱時變軟以至流動，冷卻變硬，這種過程是可逆的，可以反復進行。
近日，美國能源部橡樹嶺國家實驗室的研究人員用來自于植物的木質素取代了abs塑料中的苯乙烯，開發出了一種新的更好的熱塑性塑料——ABL(acrylonitrile-butadiene-lignin的首字母縮寫)。
他們發明了一種無溶劑的生產工藝，使分散在合成橡膠基質中的納米尺寸的木質素互相連接，產生了可熔、可模制的堅韌材料，比abs至少堅韌十倍。ABL還可以回收，在熔化三次后仍表現良好。這個研究結果發表在《Advanced Functional Materials》雜志上，可能會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這樣的商業化塑料更好，”該文章的通訊作者Amit Naskar說，他與第一作者Chau D. Tran已為這項新材料申請了專利。“我們可以把它稱為綠色環保產品，因為其50%的部分是可再生的，這使其商業化過程可以減少對石油化工品的需求。”
為了開發這種材料，橡樹嶺國家實驗室團隊需要解決幾個問題：是否可以克服木質素原料的多樣性，以得到性能優越的塑料產品?木質素能否順利地整合入軟聚合物基質?如何更好地理解木質素衍生聚合物的化學和物理性質，以便更好的控制它們的性能?產生木質素衍生聚合物的方法可否改造?
“木質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。該團隊的一個主要目標是生產足夠強韌的工業聚合物，以使其在變形過程中不會破裂。
各種木質素在熱穩定性上也各不相等。科學家們評估了來自于麥秸、軟木(如松樹)和硬木(如橡樹)的木質素，他們發現硬木來源的木質素熱穩定性最佳，而某些類型的軟木木質素也能在熔融狀態下保持穩定。
接下來，研究人員需要將木質素與軟聚合物基質結合。通常情況下，化學家通過在溶劑的存在下合成聚合物來實現這一過程。不過因為木質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基團，有可能發生相互作用，因此Naskar和Chau Tran嘗試在無溶劑條件的熔融態下融合這兩種物質。
同時研究人員也在優化ABL塑料的組分和生產工藝，他們發現丙烯腈占41%的合成橡膠基質能夠使ABL達到韌性和剛性的最佳平衡，各組分的混合溫度在140和160攝氏度之間時效果最優。
塑料大概是化學家們創造出來的應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，輕巧且堅固，廣泛地用在汽車保險杠、通風管道、安全帽、廚房電器、樂高積木等等許多產品中。不過生產這種塑料的原料需要從石油衍生化學品中獲得，這與當下強調的可持續性發展不太對路。
研究人員發現最終的材料包括木質素形成的5-100 nm的薄片和高模量的橡膠界面，最終材料的屈服應力高達15–45 MPa。該團隊未來的研究將探索不同的原料，特別是生物質的工業廢料用于ABL的可能性。
