在地球上，有一種原料廣泛存在於除苔蘚和菌類以外的植物中，大約佔到植物組分的 15% 到 35%，是一種量大而又可再生的有機資源。

在農業中，它可以直接作為肥料給作物提供營養，可製成液體地膜為作物提供成長條件，也可透過混合幫助農藥緩慢釋放；在醫療上，它可以用來製造抗凝血劑、抗潰瘍劑、抗炎劑等。然而，在工業上，我國每年該物質的產量超過 1500 萬噸，卻並沒有得到高值利用，大多是被作為低值燃料直接燃燒，資源有效利用率很低。這種原料就是木質素。

木質素可從造紙工業的紙漿廢液中進行處理沉析得到。對於這樣製備簡單、成本不高的生物質，如何充分發揮木質素特性，實現其高值化利用，是近幾十年來國內外相關領域學者共同追尋的目標。

絡繹科學邀請到了華南理工大學副研究員、博士生導師劉偉峰從木質素作為功能助劑的角度，分享其團隊在木質素研究方面的發現與成果。

傳統方法難以妥善解決木質素與高分子材料結合問題

作為一種天然高分子，木質素在不同原料中或相同原料的不同部位，結構不同。儘管到目前為止，學界對木質素的分子結構仍然未知，但各種分析表徵手段已顯示其存在大量含氧官能團、苯環結構和共軛結構，這些結構使木質素具有親水親油的兩親性，以及較高的玻璃化溫度，同時具有抗紫外、抗氧化的功能。

劉偉峰介紹稱，基於木質素的天然屬性，自 20 世紀 90 年代，國內外就已有很多人開始關注木質素在高分子材料中的應用，希望能夠發揮木質素來源廣、綠色可再生、成本低、密度比無機填料小等優勢，以及透過木質素改善高分子材料力學效能，同時賦予其抗紫外、抗老化功能。然而，經過了數十年的發展，儘管包括美國、日本、歐洲很多團隊都在開展相關研究，到目前為止，木質素與高分子材料結合並未真正實現大規模應用。

有關其中的技術瓶頸，劉偉峰分析表示，主要問題是木質素自身十分容易團聚，且其與高分子的介面相容性也非常差，因此作為改性助劑新增到高分子材料中極難分散，也就無法起到提高高分子材料效能的目的了。

針對這一技術瓶頸的解決方案，國內外已有很多研究，劉偉峰介紹稱，傳統的做法大致有三類：一是物理手段，利用小顆粒更容易分散的特點，透過機械球磨、改進混煉工藝來減小木質素粒徑，改善其分散性；二是透過化學手段，對木質素分子進行修飾改性，改善其與高分子材料的介面結合能力；三是新增相容劑，提高木質素與高分子材料的相容性。但這些做法，有的改性效果不佳，對木質素與聚合物的介面作用和分散性提升有限，甚至會讓複合材料力學效能嚴重下降；有的無法發揮木質素抗紫外、抗老化的天然屬性；有的在成本控制方面沒有優勢。

從蛛絲中獲得靈感構建更強介面作用

傳統的方法之所以難以奏效，劉偉峰認為這需要回歸到木質素本身的結構特徵來尋找答案。木質素自身團聚、在聚合物中分散性差的根本原因，是由於其分子與分子之間存在 π-π 作用和氫鍵作用，這種相互作用力非常強，導致自身團聚嚴重，也就自然與聚合物介面產生的作用力非常弱了。

對此，劉偉峰的團隊基於長期的基礎研究認為，要充分利用木質素自身的官能團特點和結構特徵，來調控其與聚合物的分子間作用力、調控微相分離結構。

既然發現了問題，就需要對症下藥。劉偉峰團隊從天然蜘蛛絲中獲得了靈感。“天然高分子仿生研究是近年的一個研究熱點，取得了較大突破。例如，研究發現，貽貝足絲與天然蜘蛛絲具有很好的力學效能，是因為這些天然的生物大分子存在多層級的奈米微相分離結構，還有一些作用力很強、分佈很密集的動態鍵發揮作用。”

劉偉峰團隊希望，利用木質素作為一種天然高分子，含有大量的含氧極性官能團可以形成氫鍵，或是與金屬離子絡合，形成配位鍵和離子鍵作用，與高分子構建出一種更強的介面作用。

改性可降解塑膠和橡膠具有產業化前景

在具體的研究應用層面，劉偉峰介紹了其團隊利用木質素在可降解塑膠、橡膠彈性體等方面的研究。他表示，這些都是目前使用量較大的高分子材料，如果能夠實現在這些領域的突破，對於工業木質素的利用及對一些合成高分子的綠色化都將具有非常重要的意義。實際上，在上述領域，劉偉峰團隊已取得了一定成果。

在可降解塑膠方面，劉偉峰團隊研究了全降解木質素改性聚乙烯醇複合材料。聚乙烯醇本身是一種能降解的塑膠，且氧氣阻隔性良好，但其存在熔融加工後強度與韌性下降等問題。

劉偉峰團隊基於木質素磺酸鹽對於形成氫鍵有天然優勢的特點，利用其對聚乙烯醇進行改性。透過原位受限自組裝構建多層級奈米微相分離及介面動態氫鍵，在木質素與聚乙烯醇之間形成了更強的介面作用。改性後的聚乙烯醇韌性超過了天然蛛絲，強度也達到了 120MPa，甚至超過了一般的工程塑膠。

在改性橡膠方面，劉偉峰表示這是他們的研究中最有實際工業應用價值的，希望能夠與產業達成合作，促進這項研究在工業應用上實現突破。具體而言，劉偉峰團隊利用木質素豐富的含氧極性官能團，在木質素與丁腈橡膠混煉過程中，透過原位介面改性構建金屬配位鍵，就像螃蟹腿一樣，透過金屬配位鍵將木質素與橡膠連結起來。

對於這項研究，劉偉峰評價稱，“相比傳統炭黑填料，木質素對橡膠力學效能的提升顯而易見。我們將 50% 的炭黑用木質素替代後，力學效能已超過純炭黑填料水平，且其抗老化效能和高溫耐油效能也比傳統純炭黑填充的丁腈橡膠更好。這個效能對於丁腈橡膠在耐油密封件或耐油輸油管道等方面的應用來說，具有一定優勢。”

另外，劉偉峰還介紹了一項有趣的研究。其團隊從肌肉組織的應變硬化特徵中獲得了靈感，猜想可能是與肌肉組織中多層級交聯網路結構有關，嘗試能否在木質素/橡膠多重網路體系中，讓配位鍵在拉伸變形過程中發生集中斷裂，賦予其生物組織特有的、更顯著的應變適應性特徵。

他們透過木質素改性三元乙丙橡膠製備人工肌肉功能彈性體，做法與橡膠複合材料一致，理論上也是構建介面動態配位鍵，但額外引入了機械訓練過程，就像拉麵反覆拉抻會變勁道，機械訓練讓複合材料的橡膠鏈段沿訓練方向發生一定取向，賦予了材料特殊功能。目前，劉偉峰團隊已製備出在溫度變化刺激下可以往復驅動的人工肌肉材料，可提起相當於自身重量 10000 倍的重物，能力相當可觀。以此類比，還製備出了電刺激與光刺激下可以“活動”的材料。

圖 | 電刺激下對重物往復做功（來源：劉偉峰，絡繹科學整理）

劉偉峰在直播中表示，希望能夠與對其團隊研究成果感興趣的企業達成合作，共同推動木質素的高值應用。