【文献解读】Advanced Functional Material“特洛伊木马计”：掩饰性策略制备高性能纤维素纸及隔膜

天然木材是强度、韧性、弹性和生理运输的有机集合体。这其中最关键的成分是木质素-碳水化合物复合物(LCC)，它通过氢键结合、离子作用和共价交联整合纤维素纤维. 但在造纸行业中, 伴随着可处理纸浆的产生，LCC结构通常被破坏，并产生大量木质素废弃物和污水。无木质素纸张即使用聚合物树脂增强后，其耐水性、强度仍比较差. 近年来，用热压法将碱木质素压入纸张中，其强度和耐水性均优于普通纸，揭示了木质素衍生物在纸张强化中的巨大应用潜力。

近日华中科技大学的赵强教授、胡先罗教授在Advanced Functional Material发文，提出了“特洛伊木马”伪装策略来解决木质素磺酸盐(LS)与纸浆纤维之间的电荷排斥问题。通过LS与聚酰胺-环氧氯丙烷(PAE)聚阳离子的静电结合，将带负电荷的LS包裹在带正电荷的LPC纳米颗粒中，与带负电荷的纤维素纸浆进行了良好的结合，修复了纸张中木质素与纤维素的良好相互作用，实现了纸张强度、稳定性、柔韧度的全面提升。

1、木材仿生策略及纸张结构和力学性能

本文利用硫酸盐木质素（LS）-聚酰胺环氧氯丙烷（PAE）通过静电吸附形成类木质素碳水化合物（LCC），并与木材纸浆进行复合，得到均匀的纳米颗粒包覆的纸浆纤维复合物。最后通过成型-干燥工序得到了常规纸张材料。通过对纸张化学组分的分析，可以看出纸张的含硫量、含氮量均比单独的LS、PAE制备的纸张有了大幅度的提高。说明了将LPC颗粒作为LS和PAE的载体能够有效地与纸浆进行复合。SEM结果也证明LPC颗粒紧密的填充在纤维素网络结构中。

由图2可知，复合纸张表现出优异的力学性能和稳定性。纸张的干、湿抗张系数分别为158N m g^-1，69N m g^-1；胀破强度为5.9 kPa m² g^-1。纸张的强度和柔韧性在LPC纸张上显现出良好的均衡性，经过10000次折叠纸张无损坏。经过14添的沸水处理，纸张表现出良好的尺寸稳定性和结构完整性。在不同温度处理下，纸张的柔韧性及强度虽有所下降，但已不是传统纸张所能媲美。

2.增强机理探究

通过检测可知LPC纸张的溶胀度为151%，其水稳定性主要归功于材料的结构稳定性而不是表面疏水性能。纸张材料中LPC与纸浆纤维间形成了氢键、共价键结合。其中LS作为强健的骨架物质保证了纤维素纤丝网络结构的连续性；柔性的PAE聚合物在干燥过程中进行了共价交联，即链内的羟基与氮丙基进行了偶联，链之间氮丙基与LS、纤维素上的RCOO^-进行了交联。

3．应用

最后将LPC纸张应用于常规锂离子电池的隔膜材料。由图4d可以看出，LPC隔膜的孔隙度为71.5%，抗张强度为12MPa。在常规的碳酸脂电解液中表现出良好的化学稳定性和润湿性。电解液的吸附量可达161%；离子电导率为2.95 m S cm^-1。将其应用在磷酸铁锂电池中，LPC隔膜表现出于媲美于商用PP隔膜的电化学性能。这些都说明LPC隔膜具有良好的电解液亲和性、离子电导率。

本文通过模仿天然树木中木质素碳水化合物复合物制备了性能优良的纤维素基功能材料。通过将LS封装在带正电荷的LS- PAE复合物纳米颗粒中，LS在纸张中的含量提高了一个数量级，赋予了纸张优异的机械力学性能和稳定性。该LPC伪装策略适用于各种纸浆和材料的加工方法，开创了一条有效而绿色的纤维素材料代替塑料废弃物路径。

（作者水平有限，如有不科学之处，请原谅并在在下方留言指正）

Zhang, F., Lan, X., Peng, H., Hu, X., Zhao, Q., A “Trojan Horse” Camouflage Strategy for High‐Performance Cellulose Paper and Separators. Adv. Funct. Mater. 2020, 2002169. 

https://doi.org/10.1002/adfm.202002169