香港城市大学胡金莲教授团队Angew VIP：可生物降解双网络纤维素基复合膜超材料用于塑料替代

每年全球消耗7000万吨石油基塑料膜，虽然给人们日常生活提供了诸多便利，但在自然界中难以降解，造成严重的白色污染，危害生态环境和人体健康。近年来，纤维素基膜材料有望成为新一代塑料膜替代而备受关注，然而其仍然存在着易燃、不耐水、韧性不好等难题，同时保留高强、透明、生物可降解等原有优点。因而，如何解决纤维素基膜材料固有难题，取得较PET等商用膜材料更具竞争力的性能，是其实际应用的关键。

近日，香港城市大学胡金莲教授团队提出了一种创新的双网络结构原位合成策略，通过磷氮有机硅氧烷前驱体的水解-缩聚反应在纤维素基体内原位聚合成环三磷腈桥联的有机硅网络结构，设计创制出阻燃强韧透明纤维素复合膜超材料，具有良好的生物可降解和生物相容性，性能远优于商用PET膜。相关研究成果以题为“Biodegradable Dual-Network Cellulosic Composite Bioplastic Metafilm for Plastic Substitute”发表在《Angew. Chem. Int. Ed.》上，并入选为VIP论文。论文第一作者为江南大学王冬副研究员，通讯作者为香港城市大学胡金莲教授。改研究得到了香江学者计划项目(XJ2021020)资金支持。

图1双网络结构示意图

结构表征

从实验层面分析，高倍TEM、核磁等多种技术手段证实了环三磷腈桥联的有机硅网络结构在纤维素基体内的原位合成。从理论角度分析，磷氮有机硅氧烷前驱体分子之间的反应形成能为-263.3 kcal/mol，远高于其与纤维素分子之间的反应形成能，表明磷氮有机硅氧烷前驱体分子更倾向于发生自身缩聚反应，原位合成环三磷腈桥联的有机硅网络结构。

图1结构表征和理论计算

性能分析

该方法制备的纤维素复合膜超材料具有高强度（441.8 MPa）和高韧性（23.5 MJ·m-3），优于之前文献报道的方法如真空辅助自组装、气溶胶辅助生物合成、旋转辅助逐层等，实现强韧性能兼得。这得益于双网络结构之间的强氢键作用与应力转移。与PP、PET、PEEK等塑料膜比较，纤维素复合膜超材料具有非常高的最大使用温度（245 °C）和超低的热膨胀系数（15.19 ppm·°C-1），表明其可以在高温下稳定使用。

图2力学与热学性能分析

与纤维素和PET膜材料比较，纤维素复合膜超材料具有极低的热释放速率峰值，总热释放量、CO释放速率峰值和烟释放速率峰值，而且热释放速率峰值和极限氧指数也远优于PP、PC、PS、ABS、TPU等塑料膜，表明阻燃性能优异。与纤维素膜极易溶于水不同，纤维素复合膜超材料可以在水中稳定存在数周，而且能够稳定存在于强碱、强酸、强盐等水溶液中，也耐甲苯、丙酮、DMF等有机溶剂。纤维素复合膜超材料具有良好的生物相容性，在生物医学方面具有潜在应用。更重要的是，纤维素复合膜超材料可以在土壤中自然降解。

图3 阻燃性能、耐溶剂性、生物相容性与生物可降解性

应用展示

纤维素复合膜超材料具有高透明性、高雾度以及纳米级粗糙度，可以替代PET膜，作为ITO溅射基材，制备柔性ITO透明导电薄膜，在节能视窗、电磁屏蔽等方面具有潜在应用。

图4 阻燃性能、耐溶剂性、生物相容性与生物可降解性

小结

综上所述，本工作发展了一种双网络结构原位合成策略，在纤维素基体内原位生成磷氮有机硅网络结构，制备出阻燃强韧透明纤维素膜超材料，同时取得优异的耐溶剂、热稳定性、生物相容性和生物可降解性，在柔性电子、节能环保等方面具有潜在应用。纤维素膜超材料显示出较PET等塑料膜更具竞争力的性能，有望实现塑料替代。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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