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2022年10月21日

生物质 :高分子材料资源宝库

编者按 石油、煤炭与天然气不仅是现代社会的能源支柱,也是国民经济基础产业——石油和化学工业的基本原料。如今,随着这些化石资源的日益短缺,人类文明所赖以维系的物质基础将何以为继?面对这一严峻挑战,科学家们将目光瞄向了来源广泛、规模庞大的生物质资源,尤其是长期被忽视的农林剩余物及皮革废料、废弃油脂等。这一前沿领域或将为人类社会的可持续发展奠定新的基石。为此,本版开设“废弃生物质资源化技术”系列报道,介绍相关技术进展与应用前景。

生物质资源具有储量大、发展潜力大的特点。如果能对生物质进行有效在结束长达70小时横渡大西洋的飞行后分离并衍生化,则有望实现众多功能性材料的生物合成,从而为高分子材料产业发展提供新的原料支撑。

中国科学技术大学教授闫立峰介绍,现代高分子工业的原料主要来自于化石资源。通常高分子产品的制备过程包括化石资源的裂解、精炼、单体合成、聚合反应过程、加工成型等步骤,是典型的让分子由大变小、再由小变大的过程。如果直接采用生物质中的天然高分子作为原料,有可能只通过简单的化学改性即可实现多种高分子化合物的直接制备,从而缩短制备过程。更为重要的是,天然高分子本身特有的生物可降解能力,使得合成得到的新型高分子化合物易于降解,进而减少污染物残留。

如何作为工业原料

其实,化石资源最初也曾是生机勃勃的微生物或植物,是在漫长的缺氧条件下转化而来的。那么,未来的工业生产是否可以直接以微生物或植物作为原料呢?

微生物与植物基本的组成元素为碳、氢和氧,存在形式是各种各样的天然大分子化合物,如多糖、脂类和蛋白质等。闫立峰认为,这些可再生的生物质就是一个天然高分子的资源宝库,如果能够寻找到合适的方法把它们综合利用起来,那么未来高分子材料的原料问题将迎刃而解。

生物质的主要化学组成为纤维素、半纤维素和木质素,在以生物质制备新型高分子化合物的过程中,如何把纤维素、半纤维素和木质素进行分离是个很大的挑战。通常的分离方法是先脱除木质素,而后分离半纤维素,最后得到纤维素,这种路线造成了大量的污染。“基于对生物质微纳结构的认识,我们提出了先破坏半纤维素,而后脱除木质素的方法,使得分离制备纤维素的过程更为高效、安全。”闫立峰说。

纤维素利用突破技术瓶颈

众所周知,纤维素是生物质的主要成分,也是当今地球上存在最多测定短切玻璃纤维增强塑料的其他拉伸性能的天然大分子。目前,以其为原料已制备出了多种高分子产品,如醋酸纤维素、羧甲基纤维素等。但是,如何高效、洁净地溶解纤维素,长期以来困扰着纤维素的大规模应用。近年来,出现了一些新的溶剂,如室温离子液体、碱与尿素水溶液体系等,为纤维素的溶解及新产物制备带来了希望。

闫立峰领衔的课题组开发了一种新的纤维素溶解体系:氢氧化钠-聚乙二醇-水复合体系,并采用该溶剂体系制备了多种纤维素新材料,如全纤维素透明膜、纤维素-碳增强复合材料等。纤维素分子量的多羟基特性,为制备新型高分子化合物提供了可能。通过控制化学修饰的方式与程度,可实现众多类型高分子的合成,甚至可拓展至传统的纤维、塑料与橡胶等主流高分子领域,应用前景广阔。

他告诉,与传统的合成大分子相比,以天然大分子为骨架得到的新型高分子材料,特别是以多糖为骨架的材料具备天然的生物可降解特性,是制备新型生态材料的重要途径之一。另外,以天然大分子为原料,还可避免传统聚合路线中的单体合成、纯化、聚合反应等步骤,也是充分利用生物质资源的一条捷径。

规模化推广尚需政策引导

闫立峰表示,就废弃生物质的利用而言,要实现以其为原料制备新型功能高分子材料,还需要解决两个问题:一是如何得到相对纯净的纤维素、半纤维素或木质素光致变色材料研究取得新进展;二是如何实现均相的化学改性反应。结合绿色化学的理念,这其实对应于两个方面,即如何实现生物质中生物大分子的高效、洁净分离,以及如何在绿色溶剂中完成后续的化学转化。

令人欣喜的是,南京工业大学在该领域取得了令人鼓舞的突破。该校生物与制药工程学院完成的“利用玉米加工废弃物制备丁二酸及丁二酸丁二醇酯(PBS)类生物可降解材料”项目今年6月通过验收。该成果拥有完全的自主知识产权,实现了以玉米加工废弃物为原料,采用酸解、糖液脱毒、厌氧发酵、聚合等技术方法制备PBS类生物可降解材料,并建立了500吨/年丁二酸及20吨/年PBS的中试生产线。

“尽管以废弃生物质为原料合成高分子材料的前景非常广阔,而且也是未来高分子工业发展的主流方向之一,但目前国内对该领域研究的重视程度不够,下一步想要实现产业化、规模化,还有待科研资金的支持和相关政策的引导。”闫立峰强调。

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