将棉花轧棉机副产品升级为生物塑料：利用DES/NMMO二元溶剂实现木质素和纤维素共溶解的可持续方法

《Materials Today Sustainability》：Upcycling Cotton Gin Byproducts into Bioplastics: A Sustainable Approach to Co-Dissolution of Lignin and Cellulose Using A DES/NMMO Binary Solvent

可持续棉籽残渣加工；DES/NMMO二元溶剂系统；直接溶解；结晶结构转变；薄膜热稳定性；机械性能优化；溶剂可回收性

　　本研究聚焦于一种新型的可持续材料加工方法，旨在解决传统工艺中对木质纤维素生物质（包括棉籽壳和棉籽绒）各组分进行分离处理所带来的复杂性和资源浪费问题。木质纤维素作为地球上最丰富的可再生资源之一，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其结构复杂、刚性较强，给直接加工带来了巨大挑战。传统方法通常需要对纤维素进行分离，而将半纤维素和木质素作为副产品处理，这种做法虽然能够获得高纯度的纤维素，但同时也伴随着高能耗、高化学消耗以及对环境的不利影响。因此，探索一种无需分离即可对木质纤维素进行直接溶解和加工的绿色溶剂体系，成为实现可持续材料制造的重要方向。

研究人员提出了一种基于深共晶溶剂（DES）与N-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）的二元溶剂系统，用于棉籽壳和棉籽绒的直接溶解与薄膜制备。这一方法不仅减少了对化学试剂的依赖，还降低了能耗和操作难度，为实现木质纤维素资源的高效利用提供了新的思路。在该溶剂体系中，DES主要负责木质素和半纤维素的溶解，而NMMO则有效溶解纤维素晶体结构。通过两者的协同作用，可以实现对木质纤维素全组分的高效溶解，无需进行分馏处理，从而保留其原有的结构协同性。

在实验过程中，研究人员首先制备了棉籽壳和棉籽绒的粉末形式，并通过旋转切割机和行星磨机对其进行预处理，以确保其具备良好的溶解性。随后，将这些粉末加入DES/NMMO二元溶剂中，在80°C下进行溶解。溶解过程在1小时内完成，所有样品均被完全溶解，且无残留颗粒。通过光学显微镜观察，可以确认溶解过程的有效性。此外，采用动态光散射（DLS）技术对溶解前后颗粒尺寸的变化进行了定量分析，结果表明DES/NMMO体系相较于单一溶剂具有更显著的溶解效果。

溶解后的溶液通过溶剂浇铸法进行薄膜制备。具体步骤包括将溶液均匀铺展在玻璃板上，随后通过水浴去除溶剂，最后在室温及控制湿度条件下进行干燥。通过扫描电子显微镜（SEM）对薄膜表面结构进行了观察，结果显示纯棉籽壳薄膜呈现出较为致密的结构，缺乏明显的纤维结构，而棉籽壳与棉籽绒的混合薄膜则表现出更复杂的纹理和纤维网络，这表明DES在促进纤维素解离方面发挥了关键作用。同时，FTIR分析进一步揭示了溶剂与木质纤维素之间的分子相互作用，如氢键网络的破坏与重组，以及不同组分的结构变化。XRD和¹³C NMR分析表明，溶解和再生过程导致了纤维素晶体结构的转变，使其从高度结晶状态转变为更接近非晶态的结构，这为薄膜的性能提升提供了理论依据。

在性能测试方面，热重分析（TGA）显示，棉籽壳和棉籽绒薄膜的起始分解温度均高于其原始粉末状态，其中1:1混合比例的薄膜表现出最高的起始分解温度，表明其热稳定性显著增强。此外，拉伸测试结果表明，1:1混合比例的薄膜在拉伸强度和延展性之间取得了最佳平衡，这可能与混合后形成的纤维网络结构有关。该结构不仅增强了材料的机械性能，还使得材料在保持柔韧性的同时具备更高的强度。值得注意的是，该薄膜的拉伸强度接近或超过了一些常见的生物可降解材料，如热塑性淀粉（TPS）和大豆蛋白膜，这为该材料在实际应用中的潜力提供了支持。

此外，研究人员还评估了该溶剂体系的可回收性。通过三次循环回收实验，他们发现虽然溶剂在使用过程中逐渐变暗，且其溶解能力、粘度和分子量有所下降，但整体性能仍保持在可接受范围内。这表明该体系具备一定的重复使用潜力，为实现资源的循环利用提供了基础。为了进一步提高溶剂的使用寿命，研究者建议通过部分补充新鲜溶剂或采用吸附法去除降解产物，从而优化回收过程。

本研究的创新点在于首次将DES/NMMO二元溶剂系统应用于棉籽壳和棉籽绒的直接加工，实现了一种无需分离即可对木质纤维素全组分进行利用的方法。这种方法不仅简化了加工流程，还减少了对环境的负担，提高了能源利用效率。与传统方法相比，DES/NMMO体系能够在较低温度下实现高效的溶解，同时避免了高压力和长时间处理所带来的限制。因此，该方法在可持续材料开发领域展现出广阔的应用前景，特别是在包装材料、复合材料和纳米纤维素技术等方面。

总的来说，本研究通过DES/NMMO体系成功实现了对棉籽壳和棉籽绒的直接溶解和薄膜制备，为木质纤维素资源的高效利用提供了一种新的路径。实验结果表明，该体系在提升薄膜热稳定性、机械性能和可回收性方面具有显著优势。同时，通过调整棉籽壳与棉籽绒的比例，可以进一步优化薄膜的性能，使其适用于不同的应用场景。这些发现不仅为木质纤维素材料的开发提供了理论支持，也为推动绿色制造技术的发展提供了实践依据。未来，进一步优化回收工艺、提升溶剂的循环效率以及探索其在更多工业领域的应用，将是研究的重要方向。