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塑料大概是化學(xué)家們創(chuàng)造出來的應(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，輕巧且堅固，廣泛地用在汽車保險杠、通風(fēng)管道、安全帽、廚房電器、樂高積木等等許多產(chǎn)品中。不過生產(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)下強調(diào)的可持續(xù)性發(fā)展不太對路。
美國能源部開發(fā)一種新型熱塑性塑料
現(xiàn)在，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(zhì)素取代了abs塑料中的苯乙烯，開發(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)。他們發(fā)明了一種無溶劑的生產(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(xiàn)良好。這個研究結(jié)果發(fā)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。(A New Class of Renewable Thermoplastics with Extraordinary Performance from Nanostructured Lignin- Elastomers.Adv. Funct. Mater., DOI: 10.1002/adfm.201504990)
“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，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(huán)保產(chǎn)品，因為其50%的部分是可再生的，這使其商業(yè)化過程可以減少對石油化工品的需求。”
為了開發(fā)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(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。該團隊的一個主要目標(biāo)是生產(chǎn)足夠強韌的工業(yè)聚合物，以使其在變形過程中不會破裂。
各種木質(zhì)素在熱穩(wěn)定性上也各不相等。科學(xué)家們評估了來自于麥秸、軟木(如松樹)和硬木(如橡樹)的木質(zhì)素，他們發(fā)現(xiàn)硬木來源的木質(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，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)家通過在溶劑的存在下合成聚合物來實現(xiàn)這一過程。不過因為木質(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，有可能發(fā)生相互作用，因此Naskar和Chau Tran嘗試在無溶劑條件的熔融態(tài)下融合這兩種物質(zhì)。
同時研究人員也在優(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(yōu)。
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(zhì)的工業(yè)廢料用于ABL的可能性。
