木材衍生功能高分子材料

木材是世界上最大的可再生資源，在制備功能性材料時(shí)引起了極大的關(guān)注。它們展示了可用于生物能源、柔性電子、儲(chǔ)能設(shè)備等領(lǐng)域的巨大潛力。最近，直接利用木材獨(dú)特的分層結(jié)構(gòu)化，它已被用作多種規(guī)模功能化的大規(guī)模模板，包括其與聚合物和納米顆粒的組合。因此，功能性木質(zhì)材料已經(jīng)找到了許多應(yīng)用，例如用作透明窗戶、油水分離、水處理和導(dǎo)電材料。然而，在將組合轉(zhuǎn)化為木材結(jié)構(gòu)的高效和大規(guī)模擴(kuò)散以及木材結(jié)構(gòu)的自然缺陷方面，仍然需要解決一些挑戰(zhàn)。此外，宏觀工程的應(yīng)用主要集中在木材的宏觀規(guī)模上。很難進(jìn)一步用于合成復(fù)合結(jié)構(gòu)和組裝成復(fù)雜的形態(tài)。在此，從宏觀分子工程的角度總結(jié)了具有主要木材成分（纖維素和木質(zhì)素）獨(dú)特形態(tài)的功能聚合物材料的制備。報(bào)告的范圍分為三個(gè)部分。（1）它首先展示了纖維素和木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)和特性。（2）討論了如何通過受控/活聚合、點(diǎn)擊化學(xué)、動(dòng)態(tài)鍵化學(xué)等來調(diào)整結(jié)構(gòu)的自我組裝和修改。（3）給出了通過大分子工程的功能性聚合物材料的例子，特別是包括彈性體、水凝膠、氣凝膠和納米顆粒。到目前為止，關(guān)于木材及其成分衍生的功能材料主題有一些很好的評(píng)論。本文側(cè)重于木源材料實(shí)現(xiàn)功能的大分子工程概念。它主要強(qiáng)調(diào)天然纖維損失和木質(zhì)素或其衍生物的明確結(jié)構(gòu)特征，而材料的目標(biāo)功能顯著受益于精確的結(jié)構(gòu)、修改及其相應(yīng)的自組裝過程。期望強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)-組裝-功能關(guān)系的重要性，為未來木材功能性聚合物材料的更好設(shè)計(jì)做出貢獻(xiàn)。功能化的結(jié)構(gòu)特征木材是一種天然的生物聚合物復(fù)合材料，而纖維素和木質(zhì)素在干重中約占木材的70-80%，這使得它們可以作為制備聚合物材料的足夠原料。纖維素作為木材的主要成分是地球上最豐富的天然聚合物。目前，工業(yè)用纖維素部分來自木漿。雖然這是一個(gè)有爭(zhēng)議的話題，但描述纖維素超分子結(jié)構(gòu)的一個(gè)公認(rèn)模型是，在纖維素纖維中，纖維素鏈被排列成高度有序的結(jié)構(gòu)，作為結(jié)晶區(qū)域，而非晶區(qū)域由無序的纖維素鏈組成。當(dāng)然，纖維素I是自然界中發(fā)現(xiàn)的形式，它存在于Iα和Iβ兩種同種形態(tài)中。Iα/Iβ比取決于纖維素的起源，Iβ形式在木本植物中占主導(dǎo)地位。此外，纖維素I可以在再生或汞化過程后轉(zhuǎn)化為纖維素II，這表明纖維素I是甲穩(wěn)定的，纖維素II是穩(wěn)定的。[17]兩種纖維素的主要區(qū)別是原子的布局。O6的鏈間氫鍵在纖維素I中占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致平行的方向，而O6的鏈間氫鍵是纖維素II中具有反平行包裝的主要鏈間氫鍵。大分子工程策略大分子工程強(qiáng)調(diào)精確設(shè)計(jì)具有受控成分和結(jié)構(gòu)的清晰聚合物，以便為特定功能組裝。從天然纖維素和木質(zhì)素到其衍生物，結(jié)構(gòu)和成分對(duì)于組裝成不同的形態(tài)和功能至關(guān)重要。從軟到硬以及從1D到3D結(jié)構(gòu)的各種木衍生材料的應(yīng)用范圍從納米到大分子科學(xué)，如上所述，纖維素和木質(zhì)素可以被視為自然界大分子工程的產(chǎn)品。如圖所示在圖2中，它可以直接用于制備功能性聚合物材料。對(duì)于纖維素來說，由羥基相互作用生成的氫鍵可以作為物理交聯(lián)點(diǎn)，這有利于不同形態(tài)的形成。此外，在某些情況下，由于其非共價(jià)相互作用，形態(tài)可以響應(yīng)刺激，提供材料功能。對(duì)于木質(zhì)素，它還能夠通過各種力自行組裝成功能材料，如疏水相互作用、π-π相互作用和范德瓦爾力，這些力源于其結(jié)構(gòu)和組成。來自木材組件的功能性聚合物材料彈性體水凝膠總結(jié)木材成分是可再生、可生物降解和可生物兼容的。更重要的是，它們自然地設(shè)計(jì)了定義的結(jié)構(gòu)。在各種功能材料的解決方案中解溶液后，它們可以直接自我組裝。對(duì)于木質(zhì)素來說，其在溶液中自組裝的能力是制備納米顆粒的重要特征，及其熒光和抗氧化特性使其能夠用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。與石油基聚合物相比，工藝的優(yōu)勢(shì)在于其高可再生成分和簡(jiǎn)單性。因此，除了直接利用木材的分層結(jié)構(gòu)作為功能化的大規(guī)模模板外，它仍然需要進(jìn)一步研究