广西大学王双飞院士团队李许生课题组Green Chemistry：活化残余木质素增强纸张湿强度
背景介绍
纤维素是一种可持续的绿色资源。可以通过“自上而下”的途径从植物中大量获取。由于纤维间水敏感的氢键结合及纤维网络固有的结构缺陷，纤维素纳米纸 (CNP) 在润湿时的不可控变形和机械性能衰退是本领域内所追求解决的基础性难题。
近日，广西大学王双飞院士团队李许生课题组通过活化原纤维中的残余木质素（RL）的策略，开发了一种具有优异抗湿性机械强度的纳米纸（RL-CNP）。活化的残留木质素富含酚羟基，改善了与纤维素的相互作用，使木质素与纤维素紧密结合在一起，赋予 RL-CNP 致密的结构。疏水的木质素限制了RL-CNP吸水溶胀，并稳定了 RL-CNP 的抗湿性机械强度，意味着其在以纸代塑和高科技产品基底材料领域具有潜在价值。另外，使用的化学试剂可以循环利用，以及预处理过程产生的溶解木素可以通过吸附/解析方法高效分馏，说明这倡导了一种可持续的绿色方法。
图文解读
Fig 1. TEM image of (a) RL-CNFs-14, (b) RL-CNFs-9 and (c) RL-CNFs-5; (d) RL-CNFs evolve from the cell walls; (g) thickness-growth percentage of the CNPs after submergence in water for 10 min; chart of the dry and wet tensile strengths of CNPs: (h) graphs; (i) histograms.
受植物细胞壁抗湿性原理的启发，纤维素原纤丝被木质素紧密且均匀的包裹以形成水稳定骨架结构，制造具有残留木质素的 RL-CNF以构建具有抗湿性机械强度的 RL-CNP。从细胞壁微纤维到 RL-CNF 的转化示意图如图 1d 所示。
无木质素纳米纸（LF-CNP）的湿强度仅为 4 Mpa，强度退化了 98%，这是因为纤维素分子结构中的羟基形成的氢键是水敏感的。残留木质素是一种疏水性聚合物，作为形成氢键的羟基供体单元（酚羟基），使 RL-CNP 具有抗湿性机械强度。与 LF-CNP相比，RL-CNP 的湿强度（69 MPa）提高了10 倍以上。
Fig 2. Schematic diagram of CNP encountering water. (a) LF-CNP; (b) RL-CNP.
RL-CNPs 具有优异的湿强度和水稳定性原因如下：1) 残留木质素的疏水性赋予 RL-CNP 耐水性；2）残留的木质素和半纤维素的热塑性和无定形特征在热压下填充了纤维网络的空隙，并赋予RL-CNP致密化结构；3）HNO3和H2O2预处理增加了残留木质素分子结构中的酚羟基含量，改善了与纤维素的相互作用； 4）残留木质素紧密且均匀的包裹纤维素。具有活化残余木质素的 RL 原纤维赋予 RL-CNP 致密的疏水结构和水稳定的结合，这限制了 RL-CNP 的吸水和溶胀，并稳定了 RL-CNP 的抗湿性机械强度（图 2）。
总结
在本研究开发了一种简便的方法，通过活化残留木质素作为增强基质，显著提高纤维素纳米纸的湿强度和水稳定性。展示的 RL-CNP是不可生物降解塑料的有前途的替代品，并具有扩大纤维素利用领域的潜力。
该研究以《Enabled Cellulose Nanopaper with Outstanding Water Stability and Wet Strength via Activated Residual Lignin as a Reinforcement》为题发表于Green Chemistry。论文第一作者为广西大学轻工与食品工程学院2018级硕士研究生王金龙（现为聂双喜教授课题组2021级博士研究生），通讯作者为广西大学轻工与食品工程学院李许生博士。
原文链接：
https://doi.org/10.1039/D1GC03906G
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