华南理工刘伟峰突破困境，造出可举起万倍以上重量的“人造肌肉”

在地球上，有一种原料广泛存在于除苔藓和菌类以外的植物中，大约占到植物组分的 15% 到 35%，是一种量大而又可再生的有机资源。

在农业中，它可以直接作为肥料给作物提供营养，可制成液体地膜为作物提供成长条件，也可通过混合帮助农药缓慢释放；在医疗上，它可以用来制造抗凝血剂、抗溃疡剂、抗炎剂等。然而，在工业上，我国每年该物质的产量超过 1500 万吨，却并没有得到高值利用，大多是被作为低值燃料直接燃烧，资源有效利用率很低。这种原料就是木质素。

木质素可从造纸工业的纸浆废液中进行处理沉析得到。对于这样制备简单、成本不高的生物质，如何充分发挥木质素特性，实现其高值化利用，是近几十年来国内外相关领域学者共同追寻的目标。

络绎科学邀请到了华南理工大学副研究员、博士生导师刘伟峰从木质素作为功能助剂的角度，分享其团队在木质素研究方面的发现与成果。

传统方法难以妥善解决木质素与高分子材料结合问题

作为一种天然高分子，木质素在不同原料中或相同原料的不同部位，结构不同。尽管到目前为止，学界对木质素的分子结构仍然未知，但各种分析表征手段已显示其存在大量含氧官能团、苯环结构和共轭结构，这些结构使木质素具有亲水亲油的两亲性，以及较高的玻璃化温度，同时具有抗紫外、抗氧化的功能。

刘伟峰介绍称，基于木质素的天然属性，自 20 世纪 90 年代，国内外就已有很多人开始关注木质素在高分子材料中的应用，希望能够发挥木质素来源广、绿色可再生、成本低、密度比无机填料小等优势，以及通过木质素改善高分子材料力学性能，同时赋予其抗紫外、抗老化功能。然而，经过了数十年的发展，尽管包括美国、日本、欧洲很多团队都在开展相关研究，到目前为止，木质素与高分子材料结合并未真正实现大规模应用。

有关其中的技术瓶颈，刘伟峰分析表示，主要问题是木质素自身十分容易团聚，且其与高分子的界面相容性也非常差，因此作为改性助剂添加到高分子材料中极难分散，也就无法起到提高高分子材料性能的目的了。

针对这一技术瓶颈的解决方案，国内外已有很多研究，刘伟峰介绍称，传统的做法大致有三类：一是物理手段，利用小颗粒更容易分散的特点，通过机械球磨、改进混炼工艺来减小木质素粒径，改善其分散性；二是通过化学手段，对木质素分子进行修饰改性，改善其与高分子材料的界面结合能力；三是添加相容剂，提高木质素与高分子材料的相容性。但这些做法，有的改性效果不佳，对木质素与聚合物的界面作用和分散性提升有限，甚至会让复合材料力学性能严重下降；有的无法发挥木质素抗紫外、抗老化的天然属性；有的在成本控制方面没有优势。

从蛛丝中获得灵感构建更强界面作用

传统的方法之所以难以奏效，刘伟峰认为这需要回归到木质素本身的结构特征来寻找答案。木质素自身团聚、在聚合物中分散性差的根本原因，是由于其分子与分子之间存在 π-π 作用和氢键作用，这种相互作用力非常强，导致自身团聚严重，也就自然与聚合物界面产生的作用力非常弱了。

对此，刘伟峰的团队基于长期的基础研究认为，要充分利用木质素自身的官能团特点和结构特征，来调控其与聚合物的分子间作用力、调控微相分离结构。

既然发现了问题，就需要对症下药。刘伟峰团队从天然蜘蛛丝中获得了灵感。“天然高分子仿生研究是近年的一个研究热点，取得了较大突破。例如，研究发现，贻贝足丝与天然蜘蛛丝具有很好的力学性能，是因为这些天然的生物大分子存在多层级的纳米微相分离结构，还有一些作用力很强、分布很密集的动态键发挥作用。”

刘伟峰团队希望，利用木质素作为一种天然高分子，含有大量的含氧极性官能团可以形成氢键，或是与金属离子络合，形成配位键和离子键作用，与高分子构建出一种更强的界面作用。

改性可降解塑料和橡胶具有产业化前景

在具体的研究应用层面，刘伟峰介绍了其团队利用木质素在可降解塑料、橡胶弹性体等方面的研究。他表示，这些都是目前使用量较大的高分子材料，如果能够实现在这些领域的突破，对于工业木质素的利用及对一些合成高分子的绿色化都将具有非常重要的意义。实际上，在上述领域，刘伟峰团队已取得了一定成果。

在可降解塑料方面，刘伟峰团队研究了全降解木质素改性聚乙烯醇复合材料。聚乙烯醇本身是一种能降解的塑料，且氧气阻隔性良好，但其存在熔融加工后强度与韧性下降等问题。

刘伟峰团队基于木质素磺酸盐对于形成氢键有天然优势的特点，利用其对聚乙烯醇进行改性。通过原位受限自组装构建多层级纳米微相分离及界面动态氢键，在木质素与聚乙烯醇之间形成了更强的界面作用。改性后的聚乙烯醇韧性超过了天然蛛丝，强度也达到了 120MPa，甚至超过了一般的工程塑料。

在改性橡胶方面，刘伟峰表示这是他们的研究中最有实际工业应用价值的，希望能够与产业达成合作，促进这项研究在工业应用上实现突破。具体而言，刘伟峰团队利用木质素丰富的含氧极性官能团，在木质素与丁腈橡胶混炼过程中，通过原位界面改性构建金属配位键，就像螃蟹腿一样，通过金属配位键将木质素与橡胶链接起来。

对于这项研究，刘伟峰评价称，“相比传统炭黑填料，木质素对橡胶力学性能的提升显而易见。我们将 50% 的炭黑用木质素替代后，力学性能已超过纯炭黑填料水平，且其抗老化性能和高温耐油性能也比传统纯炭黑填充的丁腈橡胶更好。这个性能对于丁腈橡胶在耐油密封件或耐油输油管道等方面的应用来说，具有一定优势。”

另外，刘伟峰还介绍了一项有趣的研究。其团队从肌肉组织的应变硬化特征中获得了灵感，猜想可能是与肌肉组织中多层级交联网络结构有关，尝试能否在木质素/橡胶多重网络体系中，让配位键在拉伸变形过程中发生集中断裂，赋予其生物组织特有的、更显著的应变适应性特征。

他们通过木质素改性三元乙丙橡胶制备人工肌肉功能弹性体，做法与橡胶复合材料一致，理论上也是构建界面动态配位键，但额外引入了机械训练过程，就像拉面反复拉抻会变劲道，机械训练让复合材料的橡胶链段沿训练方向发生一定取向，赋予了材料特殊功能。目前，刘伟峰团队已制备出在温度变化刺激下可以往复驱动的人工肌肉材料，可提起相当于自身重量 10000 倍的重物，能力相当可观。以此类比，还制备出了电刺激与光刺激下可以“活动”的材料。