从可再生材料生产更结实的塑料

塑料大概是化学家们创造出来的应用最广泛的材料之一，以ABS塑料为例，这种热塑性聚合物由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯组成，轻巧且坚固，广泛地用在汽车保险杠、通风管道、安全帽、厨房电器、乐高积木等等许多产品中。不过生产这种塑料的原料需要从石油衍生化学品中获得，这与当下强调的可持续性发展不太对路。

现在，美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员用来自于植物的木质素取代了ABS塑料中的苯乙烯，开发出了一种新的更好的热塑性塑料——ABL（acrylonitrile-butadiene-lignin的首字母缩写）。他们发明了一种无溶剂的生产工艺，使分散在合成橡胶基质中的纳米尺寸的木质素互相连接，产生了可熔、可模制的坚韧材料，比ABS至少坚韧十倍。ABL还可以回收，在熔化三次后仍表现良好。这个研究结果发表在《Advanced Functional Materials》杂志上，可能会为不同的制造商提供更清洁、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）

“这种新的热塑性塑料的性能比ABS这样的商业化塑料更好，”该文章的通讯作者Amit Naskar说，他与第一作者Chau D. Tran已为这项新材料申请了专利。 “我们可以把它称为绿色环保产品，因为其50％的部分是可再生的，这使其商业化过程可以减少对石油化工品的需求。”

为了开发这种材料，橡树岭国家实验室团队需要解决几个问题：是否可以克服木质素原料的多样性，以得到性能优越的塑料产品？木质素能否顺利地整合入软聚合物基质？如何更好地理解木质素衍生聚合物的化学和物理性质，以便更好的控制它们的性能？产生木质素衍生聚合物的方法可否改造？

“木质素是一种非常脆弱的天然高分子，所以需要将其增韧，”Naskar解释说。该团队的一个主要目标是生产足够强韧的工业聚合物，以使其在变形过程中不会破裂。

各种木质素在热稳定性上也各不相等。科学家们评估了来自于麦秸、软木（如松树）和硬木（如橡树）的木质素，他们发现硬木来源的木质素热稳定性最佳，而某些类型的软木木质素也能在熔融状态下保持稳定。

图片来源：美国能源部橡树岭国家实验室

接下来，研究人员需要将木质素与软聚合物基质结合。通常情况下，化学家通过在溶剂的存在下合成聚合物来实现这一过程。不过因为木质素和含有丙烯腈和丁二烯的合成橡胶（称为丁腈橡胶）都具有电子不均匀分布的化学基团，有可能发生相互作用，因此Naskar和Chau Tran尝试在无溶剂条件的熔融态下融合这两种物质。

同时研究人员也在优化ABL塑料的组分和生产工艺，他们发现丙烯腈占41％的合成橡胶基质能够使ABL达到韧性和刚性的最佳平衡，各组分的混合温度在140和160摄氏度之间时效果最优。

研究人员发现最终的材料包括木质素形成的5-100 nm的薄片和高模量的橡胶界面，最终材料的屈服应力高达15–45 MPa。

该团队未来的研究将探索不同的原料，特别是生物质的工业废料用于ABL的可能性。

1. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201504990/full

2. http://phys.org/news/2016-03-tougher-plastic-percent-renewable-content.html