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  全球每年生產超過3億噸塑料，但是只有大約2％的塑料被回收利用。塑料吸管被廣泛使用、體積小，回收價值低，幾乎從沒被回收。然而使用壽命僅一次的塑料吸管，填埋降卻需要幾百年。塑料吸管的大量使用所帶來的日益嚴重的環境問題不可忽視。目前市面上作為塑料吸管的替代品多為紙吸管，但紙吸管有水穩定性差，防水蠟層的成本高，使用感差等缺點。

  近期，美國馬里蘭大學李騰教授課題組與胡良兵教授課題組合作，受天然木材中纖維素和木質素的材料性能增強原理的啟發，開發了高度水穩定的纖維素-木質素增強復合吸管。由交聯的苯基丙烷單元構成的木質素作為一種天然可降解的粘合劑，將纖維素纖維保持/結合在一起，形成堅固而堅韌的木材基質，并賦予材料優異的疏水性能。該材料中所有原料均來自天然產物，成本低廉，可自然降解。該成果以Strong, Hydro-Stable and Degradable Straws Based on Cellulose-Lignin Reinforced Composites 為論文題目發表在Small (DOI: 10.1002/smll.202008011) 上。

  研究者把從市面獲得的廉價的纖維素微纖維，納米纖維和木質素重新構建，制得以74 wt％的纖維素和26 wt％的木質素混合的濕紙幅。吸管由濕紙幅卷制，并在150oC的烤箱中烘烤，使木質素均勻滲入纖維素纖維的孔中。與紙和塑料相比，纖維素-木質素增強復合材料具有更高的水穩定性和生物降解性。

圖1. (a)受天然植物啟發的纖維素-木質素復合材料的示意圖。(b)纖維素-木質素增強復合吸管。(c)對比紙張、塑料及纖維素-木質素增強復合吸管的水穩定性及可降解性 。

  纖維素-木質素增強復合膜中的納米纖維填充了相鄰微纖維的孔隙，加熱誘導的木質素熔化后形成覆蓋和互連纖維素纖維的滲濾網絡，從而形成緊密堆積的固體膜。加熱誘導過程不會破環纖維結構，纖維素-木質素增強復合秸稈仍可承受嚴重的彎曲變形。與纖維素膜、纖維素-木質素復合膜及聚丙烯塑料相比，纖維素-木質素增強復合膜具有更優異的力學性能。自然降解實驗表明纖維素-木質素增強復合吸管具有優異的可降解性。吸水實驗表明，纖維素-木質素增強復合吸管中疏水性木質素顆粒增強了吸管的疏水性，降低了水分在吸管中的浸潤速度，并使材料具有更優異的濕強度。

  纖維素-木質素增強復合吸管所展現出的各項性能明顯優于當前的商用紙吸管，并且與商用塑料吸管相當。以低成本的可持續的生物質材料為基礎構建的纖維素-木質素增強復合吸管可實現大規模生產，是對環境產生負面影響的石油衍生的塑料產品的一個更有效的替代產品。

圖2. (a-f)纖維素膜、纖維素-木質素復合膜及纖維素-木質素增強復合膜的表面及截面的掃描電鏡圖。(g-i)纖維素膜、纖維素-木質素復合膜及纖維素-木質素增強復合膜的結構示意圖。(j-l)纖維素膜、纖維素-木質素復合膜及纖維素-木質素增強復合膜的XRD、FTIR和UV透過研究結果。

圖3. (a-d) 纖維素、纖維素-木質素復合膜、纖維素-木質素增強復合膜及聚丙烯塑料的力學性能對比。(e) 纖維素-木質素增強復合膜及聚丙烯塑料的自然降解性能對比。

圖4. (a) 浸沒在水中的纖維素吸管、纖維素-木質素復合吸管、纖維素-木質素增強復合吸管。(b-c) 表面接觸角測試結果。(d-e) 纖維素、纖維素-木質素復合膜、纖維素-木質素增強復合膜的濕力學性能及吸水性能。

  論文信息：Strong, Hydro-Stable and Degradable Straws Based on Cellulose-Lignin Reinforced Composites, Small (2021)

  https://doi.org/10.1002/smll.202008011

作者簡介：

  馬里蘭大學李騰教授團隊（http://lit.umd.edu/）專注于高性能可持續材料、軟材料、低維納米材料、原子尺度催化劑、能源存儲材料等的設計與開發，相關研究成果發表在Nature, Science, Nature Review Materials, Nature Nanotechnology, PNAS, PRL, JACS, Advanced Materials, Materials Today, Advanced Energy Materials 等國際頂級期刊，并于2018年榮獲被譽為“國際發明創造奧斯卡”的R&D100大獎，以及2019年馬里蘭大學年度發明獎（物理科學領域）。李騰教授現任馬里蘭大學先進可持續材料與技術實驗室主任，Extreme Mechanics Letters副主編，榮獲國際工程科學學會青年科學家獎章（2016）。李騰教授在2006年和哈佛大學鎖志剛教授共同發起創建iMechanica.org,目前已經成為國際力學領域用戶最多的網絡資源平臺。

  李騰教授的微信視頻號2020年7月5日開通 （微信視頻號：李騰教授），旨在分享科研心得，助力青年學者科研騰飛。每天發布的短視頻受到廣泛關注并被媒體采訪，迅速成為微信視頻號科研類頭部大號。

  2021年李騰教授推出【科研騰飛—大師訪談】系列直播訪談節目，邀請國際頂尖科學家，以訪談的形式和廣大科研人員分享個人成長之路、職業發展心得，和科研騰飛之道。前三期節目分別直播訪談了哈佛大學鎖志剛院士、浙江大學楊衛院士、和中科院納米能源所王中林院士，直播間總觀眾人數超過5.2萬，點贊次數超過11萬，成為科研領域高關注度的“思想盛宴”。加李騰教授微信，第一時間收到【科研騰飛—大師訪談】節目的最新消息。