摘要 

低碳社會(huì)需要擺脫依賴石油煉制的產(chǎn)業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。作為石油資源的替代品，礦物和植物在生物質(zhì)煉制產(chǎn)業(yè)中展現(xiàn)出較大潛力。

國(guó)立工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所的Kazuhiro Shikinaka和森林綜合研究所的Yuichiro Otsuka等多團(tuán)隊(duì)合作，在《RSC Advances》期刊上發(fā)表了一項(xiàng)題為“Noniammable UV protective films consisting of clay and lignin with tunable light/gas transparency"的研究。

該研究報(bào)道了一種以粘土礦物和木質(zhì)素衍生物為原料的環(huán)保型阻燃紫外線防護(hù)膜。該膜通過酶法提取的木質(zhì)素與粘土復(fù)合制備，全程無需危險(xiǎn)化學(xué)品。通過調(diào)控兩者比例及相分離結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)光學(xué)性能與氣體滲透率的精確調(diào)控，其中氣體透過率可在數(shù) mol m?2 s?1 Pa?1 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。該研究將天然礦物與植物成分轉(zhuǎn)化為高附加值工業(yè)材料，有助于降低對(duì)石油資源的依賴，減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)。

 研究材料/儀器/方法 

材料

超純水、蒙脫土、斯蒂文石、聚乙烯醇、SESC木質(zhì)素、含纖維素酶和木聚糖酶、磷酸鹽緩沖液、氧化鋯珠、聚乙烯。

儀器

珠磨機(jī)、離心機(jī)、均質(zhì)機(jī)、行星離心混合機(jī)、53 mm篩網(wǎng)、制膜刀、高分辨率場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡、GTR Tec GTR-11氣體透過率測(cè)試儀、霧度計(jì)、紫外-可見分光光度計(jì)。

GTR Tec GTR-11氣體透過率測(cè)試儀

方法

SESC木質(zhì)素的制備

將雪松粉末（10 w/w%，粒徑0.01-2 mm）、酶混合物（OPTIMASH XL與OPTIMASH BG等體積混合）和100 mM磷酸鹽緩沖液（pH 6.0）混合，在50℃、圓周速度14.0 m·s?1條件下，使用0.5 mm氧化鋯珠通過珠磨機(jī)研磨2 h。隨后將混合物在10000×g下離心30 min，收集含糖類的上清液，沉淀在相同酶和緩沖液條件下用0.1 mm氧化鋯珠再次研磨，研磨后離心收集上清液，富含木質(zhì)素的沉淀用等體積超純水洗滌兩次，離心后得到SESC木質(zhì)素。

粘土-SESC木質(zhì)素薄膜的制備

將一定量的粘土水凝膠加入超純水，用均質(zhì)機(jī)在6000 rpm下分散15 min；攪拌狀態(tài)下向粘土分散液中滴加一定濃度的SESC木質(zhì)素水分散體，按需加入Epocros®（調(diào)控薄膜結(jié)構(gòu)）或PVA（增強(qiáng)薄膜性能），繼續(xù)攪拌25 min；混合物在室溫下冷卻30 min后，用行星離心混合機(jī)在2000 rpm下混合5 min；隨后通過53 mm篩網(wǎng)，并用行星離心混合機(jī)在2200 rpm下脫氣10 min；將所得凝膠狀混合物用制膜刀（間隙0.6 mm）流延到PET片材上，在環(huán)境條件下干燥約1天，得到厚度約0.02 mm的自支撐薄膜，MMT基薄膜經(jīng)退火處理以獲得防水性能。

性能與結(jié)構(gòu)表征

• 結(jié)構(gòu)表征：采用200 kV的高分辨率場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡（FE-TEM）對(duì)薄膜橫截面進(jìn)行結(jié)構(gòu)觀察和元素mapping分析。

• 氣體透過率測(cè)試：使用GTR Tec GTR-11氣體透過率測(cè)試儀，在溫度311.7 K、壓差241.3 kPa條件下，測(cè)試72 h內(nèi)的氦氣透過率（HTR）和氧氣透過率（OTR）。

• 光學(xué)性能測(cè)試：用霧度計(jì)測(cè)定總透光率（TLT）和霧度值，用紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定200-800 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的透過率，依據(jù)AS/NZS4399標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算315-400 nm（UVA）和290-315 nm（UVB）范圍內(nèi)的平均透過率。

• 熱性能測(cè)試：按照ISO 1210協(xié)議，采用UL-94垂直燃燒法評(píng)估薄膜的阻燃性能。

 結(jié)論 

該研究成功開發(fā)出一種由粘土與木質(zhì)素復(fù)合制備的新型多功能薄膜材料。該薄膜在實(shí)現(xiàn)紫外線防護(hù)和阻燃性能的同時(shí)，具備可調(diào)控的氣體透過能力，并可通過環(huán)保的水基工藝制備，過程無需使用有害化學(xué)品。通過調(diào)整粘土與木質(zhì)素的比例，可有效控制薄膜的結(jié)構(gòu)與性能。例如，其氣體透過率可在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，阻氧性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)聚合物材料，展現(xiàn)出在包裝或防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。這一工作將天然礦物與植物成分轉(zhuǎn)化為具有高附加值的工業(yè)材料，不僅實(shí)現(xiàn)了材料多功能化，也降低了對(duì)石油基資源的依賴，為推動(dòng)綠色可持續(xù)材料的發(fā)展提供了可行路徑。