近日，天津科技大学侯庆喜教授、王汉敏副教授等人分别以The booming lignin-derived functional composites/nanocomposites和Lignin reinforced eco-friendly and functional nanoarchitectonics materials with tailored interfacial barrier performance为题在《Composites Part B: Engineering》和《Journal of Colloid And Interface Science》上发表了两篇最新综述论文。分别介绍如下：
在全球积极寻求可持续绿色材料的背景下，木质素基功能性复合材料（LFCs）蓬勃发展，并逐渐成为生物质基环保功能材料的研究热点之一。近年来，LFCs被广泛开发和利用，在不同领域中的应用受到越来越多的关注，尤其是其优异的环保性和可持续性，以及良好的经济性等特性，使其与低碳、可持续和循环经济的理念不谋而合，并且展现出极具潜力的应用前景。
基于此，天津科技大学侯庆喜教授团队与大连工业大学孙润仓教授团队合作，对近年来木质素基功能复合材料的研究进展进行了系统地总结和展望。该工作以题为“The booming lignin-derived functional composites/nanocomposites”发表在国际学术期刊《Composites Part B: Engineering》上，文章第一作者为天津科技大学硕士生袁璐璐，天津科技大学侯庆喜教授、王汉敏副教授和大连工业大学孙润仓教授为通讯作者。木质素是一种富碳生物聚合物，具有复杂的无定形网络结构，其主要由愈创木基（G）、紫丁香基（S）和对羟基苯基（H）三种基本单元通过碳碳键和醚键连接而成。其结构和组成因植物种类及加工方法而异，木质素分子结构中含有丰富的活性官能团如甲氧基、羟基、羧基和共轭双键等，具有优异反应活性，同时具有抗氧化、抗菌、紫外吸收和高热稳定性等功能特性，为其在不同功能性复合材料制备和应用中提供了可能。工业木质素来源广泛，包括硫酸盐木质素、木质素磺酸盐、碱木质素和有机溶剂木质素，它们各自具有不同的分子结构特点和性质，在不同的应用场景中发挥着重要作用。
图1.不同原料中木质素的基本结构和组成，以及不同木质素基功能复合材料木质素及其衍生物可通过熔融沉积成型（FFF）、直接墨水书写（DIW）、光固化立体光刻（SLA）/数字光处理（DLP）和选择性激光烧结（SLS）等技术制备3D打印复合材料。将木质素与热塑性材料或弹性体共混，可以调节复合材料的流变性能和层间附着力，提高打印性能。木质素基3D打印复合材料在艺术品装饰、生物活性材料、碳材料和工程支架等领域展现出巨大的应用潜力。
木质素纳米颗粒（LNPs）因其良好的分散性和稳定性，在生物医学和工业领域表现出优异的应用前景。例如，木质素-银纳米颗粒对多种细菌有显著抑制作用；作为紫外线阻隔剂，能有效吸收紫外线，保护人体健康；在药物递送领域，其pH响应特性可以实现药物的精准释放，提高治疗效果；此外，LNPs还可应用于光子材料、超疏水材料、油水分离和阻燃等领域，为解决实际问题提供了可行方案。
图3. 木质素微纳米材料在抗菌/抗氧化/抗紫外、药物输送及光子材料中的应用水凝胶具有三维交联网络结构，兼具优异的保水性、柔韧性和自愈合能力。可以通过自由基聚合、动态共价键和氢键相互作用等方法制备而成，加入木质素可有效改善传统水凝胶的机械性能，构筑多种功能性的木质素基凝胶材料。在伤口敷料方面，木质素基水凝胶表现出良好的粘附性、生物相容性和抗菌性能；作为吸附材料，对重金属离子和有机染料有较强的吸附能力；在柔性传感器领域，能够响应多种环境刺激，实现对人体关节运动的精准监测。
图4.木质素水凝胶在伤口敷料、吸附及传感领域的应用采用溶剂浇铸或熔融挤出等方法，将木质素与纤维素、壳聚糖、聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）等可生物降解聚合物复合，可以制备出具有疏水、紫外线屏蔽、抗菌和抗冲击性能的功能复合膜材料。这些膜材料在绿色包装和农业地膜等领域展现出良好的应用前景，有效减少了传统塑料对环境的危害，推动可持续工农业的发展。
尽管LFCs的发展取得了显著进展，但仍面临一些挑战。例如，木质素在聚合物基体中的分散性和相容性较差，限制了材料性能的提升；复合材料在自然和水环境中的降解循环评估缺乏等。未来，LFCs在功能导向材料的构建等方面具有重要的发展潜力，通过多学科交叉有望充分发挥木质素的潜力，进一步推动绿色生物基材料的蓬勃发展。此外，木质素独特的化学结构和物化特性使得其复合膜材料具有多重阻隔性能，为功能性生物质基复合材料的制备和导向应用提供多种选择。
基于此，天津科技大学侯庆喜教授团队从木质素基复合材料的界面多重阻隔性能角度出发，对该类环保型功能复合材料进行了系统地总结。该工作以题为“Lignin reinforced eco-friendly and functional nanoarchitectonics materials with tailored interfacial barrier performance”发表在国际学术期刊《Journal of Colloid And Interface Science》上，天津科技大学硕士生韩忠伟为文章第一作者，天津科技大学侯庆喜教授和王汉敏副教授为通讯作者。该工作首先简要介绍了木质素不同来源和分离方法的结构多样性以及木质素的结构改性策略。然后，列举了木质素基复合材料的多重阻隔性能，并详细阐述了基于不同聚合物基体系统的不同复合材料的制备方法。在应用方面，总结了木质素基复合材料在氧气阻隔、水蒸气阻隔、紫外线阻隔、阻燃和抗菌应用中的多方面阻隔性能。这些功能性阻隔材料可以广泛应用于食品/药品包装、农业保护、建筑等领域，为具有高阻隔性能要求的可持续材料提供了极佳的选择。最后，提出了木质素基阻隔材料面临的主要挑战和未来的发展方向，图1为本工作的主要内容。
为了更好地利用木质素，研究者们采用多种方法对其结构进行调控。其中，化学改性方法，例如通过酚化、醚化、卤化等反应，可以改变木质素的分子结构，提高其加工性能；生物处理利用微生物或酶，可以选择性地修饰木质素结构；有机溶剂/膜分级则根据木质素的分子量和功能基团富集程度进行分级，最终获得具有特定性能的木质素组分（图2）。
木质素与不同聚合物体系可制备出具有各种优异性能的复合材料，例如，纤维素、淀粉、壳聚糖和聚酯基材料等。在包装领域，木质素基复合材料良好的氧阻隔性能可防止食品氧化变质，延长保质期；优异的水蒸气阻隔性能可防止产品受潮，保持品质；显著的紫外线阻隔性能可保护产品免受紫外线伤害。在农业保护方面，木质素基紫外线阻隔膜材料可作为农业覆盖膜，减少紫外线对作物的伤害，促进作物生长。此外，在建筑、电子设备保护等领域，木质素基复合材料也发挥着重要作用。
图3. 木质素基复合材料的氧气阻隔机理和性能
图4. 木质素基复合材料的水蒸气阻隔性能
图5.木质素基复合材料的阻燃及抗菌性能
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111869
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.01.033
相关进展
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