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高分子材料的新方向-生物質

瀏覽次數: 日期:2011-01-28

  石油、煤炭與天然氣不僅是現代社會的能源支柱,也是國民經濟基礎產業——石油和化學工業的基本原料。如今,隨著這些化石資源的日益短缺,人類文明所賴以維系的物質基礎將何以為繼?面對這一嚴峻挑戰,科學家們將目光瞄向了來源廣泛、規模龐大的生物質資源,尤其是長期被忽視的農林剩余物及皮革廢料、廢棄油脂等。這一前沿領域或將為人類社會的可持續發展奠定新的基石。為此,本版開設“廢棄生物質資源化技術”系列報道,介紹相關技術進展與應用前景。


  生物質資源具有儲量大、發展潛力大的特點。如果能對生物質進行有效分離并衍生化,則有望實現眾多功能性材料的生物合成,從而為高分子材料產業發展提供新的原料支撐。


  中國科學技術大學教授閆立峰介紹,現代高分子工業的原料主要來自于化石資源。通常高分子產品的制備過程包括化石資源的裂解、精煉、單體合成、聚合反應過程、加工成型等步驟,是典型的讓分子由大變小、再由小變大的過程。如果直接采用生物質中的天然高分子作為原料,有可能只通過簡單的化學改性即可實現多種高分子化合物的直接制備,從而縮短制備過程。更為重要的是,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,進而減少污染物殘留。


  如何作為工業原料


  其實,化石資源最初也曾是生機勃勃的微生物或植物,是在漫長的缺氧條件下轉化而來的。那么,未來的工業生產是否可以直接以微生物或植物作為原料呢?


  微生物與植物基本的組成元素為碳、氫和氧,存在形式是各種各樣的天然大分子化合物,如多糖、脂類和蛋白質等。閆立峰認為,這些可再生的生物質就是一個天然高分子的資源寶庫,如果能夠尋找到合適的方法把它們綜合利用起來,那么未來高分子材料的原料問題將迎刃而解。


  生物質的主要化學組成為纖維素、半纖維素和木質素,在以生物質制備新型高分子化合物的過程中,如何把纖維素、半纖維素和木質素進行分離是個很大的挑戰。通常的分離方法是先脫除木質素,而后分離半纖維素,最后得到纖維素,這種路線造成了大量的污染。“基于對生物質微納結構的認識,我們提出了先破壞半纖維素,而后脫除木質素的方法,使得分離制備纖維素的過程更為高效、安全。”閆立峰說。


  纖維素利用突破技術瓶頸


  眾所周知,纖維素是生物質的主要成分,也是當今地球上存在最多的天然大分子。目前,以其為原料已制備出了多種高分子產品,如醋酸纖維素、羧甲基纖維素等。但是,如何高效、潔凈地溶解纖維素,長期以來困擾著纖維素的大規模應用。近年來,出現了一些新的溶劑,如室溫離子液體、堿與尿素水溶液體系等,為纖維素的溶解及新產物制備帶來了希望。


  閆立峰領銜的課題組開發了一種新的纖維素溶解體系:氫氧化鈉-聚乙二醇-水復合體系,并采用該溶劑體系制備了多種纖維素新材料,如全纖維素透明膜、纖維素-碳增強復合材料等。纖維素分子量的多羥基特性,為制備新型高分子化合物提供了可能。通過控制化學修飾的方式與程度,可實現眾多類型高分子的合成,甚至可拓展至傳統的纖維、塑料與橡膠等主流高分子領域,應用前景廣闊。


  他告訴記者,與傳統的合成大分子相比,以天然大分子為骨架得到的新型高分子材料,特別是以多糖為骨架的材料具備天然的生物可降解特性,是制備新型生態材料的重要途徑之一。另外,以天然大分子為原料,還可避免傳統聚合路線中的單體合成、純化、聚合反應等步驟,也是充分利用生物質資源的一條捷徑。


  規?;茝V尚需政策引導


  閆立峰表示,就廢棄生物質的利用而言,要實現以其為原料制備新型功能高分子材料,還需要解決兩個問題:一是如何得到相對純凈的纖維素、半纖維素或木質素;二是如何實現均相的化學改性反應。結合綠色化學的理念,這其實對應于兩個方面,即如何實現生物質中生物大分子的高效、潔凈分離,以及如何在綠色溶劑中完成后續的化學轉化。


  令人欣喜的是,南京工業大學在該領域取得了令人鼓舞的突破。該校生物與制藥工程學院完成的“利用玉米加工廢棄物制備丁二酸及丁二酸丁二醇酯(PBS)類生物可降解材料”項目今年6月通過驗收。該成果擁有完全的自主知識產權,實現了以玉米加工廢棄物為原料,采用酸解、糖液脫毒、厭氧發酵、聚合等技術方法制備PBS類生物可降解材料,并建立了500噸/年丁二酸及20噸/年PBS的中試生產線。


  “盡管以廢棄生物質為原料合成高分子材料的前景非常廣闊,而且也是未來高分子工業發展的主流方向之一,但目前國內對該領域研究的重視程度不夠,下一步想要實現產業化、規?;?,還有待科研資金的支持和相關政策的引導。”閆立峰強調。

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