环境友好生物质材料改性及发泡方法的研究进展

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.12.025

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (12): 163-171.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.12.025

环境友好生物质材料改性及发泡方法的研究进展

李双燕¹^,²^,³^,⁴(), 卢新宇¹^,²^,³^,⁴, 苏琼¹^,²^,³^,⁴(), 赵梦驰¹^,²^,³^,⁴, 阿丽旦·如扎洪¹^,²^,³^,⁴, 王玉璞¹^,²^,³^,⁴, 赵利斌⁵

^1.环境友好复合材料国家民委重点实验室，兰州 730030
^2.甘肃省生物质功能复合材料工程研究中心，兰州 730030
^3.甘肃省高校环境友好复合材料及生物质利用重点实验室，兰州
^4.西北民族大学化工学院，兰州 730030
^5.北方化学工业股份有限公司，四川泸州 646605

收稿日期:2024-02-25 出版日期:2024-12-26 发布日期:2024-12-25
通讯作者: 苏琼（1968-），教授，研究方向为精细化工，hgsq@xbmu.edu.cn
E-mail:1342707132@qq.com;hgsq@xbmu.edu.cn
作者简介:李双燕（2000-），女，大学本科生，1342707132@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金(21968032);中央高校基本科研业务费专项资金项目资助(31920230003);国家级大学生创新创业训练计划项目(202310742011);西北民族大学大学生创新创业训练计划项目(X202310742210);省级一流专业建设(2019SJYLZY?08);省级实验教学示范中(2019GSSYJXSFZX?01);甘肃省高校创新创业教育改革项目(2021SJCXCYXM?01)

Research progress in modification and foaming methods of environmentally friendly biomass materials

LI Shuangyan¹^,²^,³^,⁴(), LU Xinyu¹^,²^,³^,⁴, SU Qiong¹^,²^,³^,⁴(), ZHAO Mengchi¹^,²^,³^,⁴, Alidan Ruzha Hong¹^,²^,³^,⁴, WANGYupu ¹^,²^,³^,⁴, ZHAO Libin⁵

^1.Key Laboratory of Environment?Friendly Composite Materials of the State Ethnic Affairs Commission，Lanzhou 730030，China
^2.Gansu Provincial Biomass Functional Composite Materials Engineering Research Center，Lanzhou 730030，China
^3.Key Laboratory of Utility of Environmental Friendly Composite Materials and Biomass in Universities of Gansu Province，Lanzhou 730030，China
^4.School of Chemical Engineering，Northwest Minzu University，Lanzhou 730030，China
^5.Northern Chemical Industry Co，Ltd，Luzhou 646605，China

Received:2024-02-25 Online:2024-12-26 Published:2024-12-25
Contact: SU Qiong E-mail:1342707132@qq.com;hgsq@xbmu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

主要介绍了纤维素、木质素、淀粉及壳聚糖4种生物质材料，针对这4种生物质材料进行改性，赋予了其各种性能，总结了3种可降解生物质材料的发泡方法，包括超临界CO₂发泡、冷冻干燥发泡和挤出发泡，并对未来可降解生物质材料在包装、建筑及医疗行业的应用做出了详细综述。

关键词: 生物质, 分类, 改性方法, 发泡方法, 应用

Abstract:

This paper introduces four types of biomass materials， including cellulose， lignin， starch and chitosan. A variety of new properties were imparted to these four types of biomass materials after the modification. The foaming methods for three types of foamable biomass materials， including supercritical CO₂ foaming， freeze⁃drying foaming， and extrusion foaming method， were summarized. Finally， a detailed overview on the future applications of biodegradable biomass materials in the fields of packaging， construction and medical treatment was proposed.

Key words: biomass, classification, modification method, foaming method, application

中图分类号:

TQ321

李双燕, 卢新宇, 苏琼, 赵梦驰, 阿丽旦·如扎洪, 王玉璞, 赵利斌. 环境友好生物质材料改性及发泡方法的研究进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(12): 163-171.

LI Shuangyan, LU Xinyu, SU Qiong, ZHAO Mengchi, Alidan Ruzha Hong, WANGYupu , ZHAO Libin. Research progress in modification and foaming methods of environmentally friendly biomass materials[J]. China Plastics, 2024, 38(12): 163-171.

图/表 5

参考文献 76

1	李建华，黄二梅.双碳背景下合成氨的发展研究［J］.现代化工，2023（9）：16⁃19+23.
	LI J H， HANG E M.Study on the development of ammonia in a dual⁃carbon context［J］.Modern Chemical，2023（9）：16⁃19+23 （in Chinese）.
2	Falua K J， Pokharel A， Babaei⁃Ghazvini A， et al. Valorization of starch to biobased materials： A review［J］. Polymers， 2022， 14（11）： 2 215.
3	苏琼，卢新宇，石小琴，等.无胶秸秆基纤维板的研究进展［J/OL］.复合材料学报，1⁃17［2023⁃12⁃30］.
	SU Q， LU X Y， SHI X Q，et al.Research Progress of Glueless Straw⁃based Fiberboards［J/OL］.Journal of Composite Materials，1⁃17［2023⁃12⁃30］.
4	李俊夫.双碳背景下循环经济发展的机遇、挑战与策略［J］.现代管理科学，2022，10（4）：15⁃23.
	LI J F.Opportunities， Challenges and strategies for the development of circular economy in the context of dual carbon［J］.Modern Management Science，2022，10（4）：15⁃23 （in Chinese）.
5	Wang J， Du W， Zhang Z， et al. Biomass/polyhedral oligomeric silsesquioxane nanocomposites： Advances in preparation strategies and performances［J］. Journal of Applied Polymer Science， 2021， 138（2）： 49641.
6	杨洪秀，王哲，李琛，等.纤维改性方法对植物纤维发泡缓冲材料性能影响的研究进展［J］.中国造纸，2023，42（06）：103⁃111.
	YANG H X， WANG Z， LI S，et al.Research progress on the effect of fiber modification methods on the properties of plant fiber foam cushioning materials［J］.China National Paper，2023，42（06）：103⁃111.
7	Pan Y， Zhou Y， Du X， et al. Preparation of Bio⁃Foam Material from Steam⁃Exploded Corn Straw by In Situ Esterification Modification［J］. Polymers， 2023， 15（9）： 2 222.
8	Wang Y， Xu H， Huang L， et al. Preparation and properties of Graft⁃Modified Bagasse cellulose/Polylactic acid composites［J］. Journal of Natural Fibers， 2023， 20（1）： 2164822.
9	Kang C， Li Q， Yi H， et al. EDTAD⁃modified cassava stalks loaded with Fe₃O₄： Highly efficient removal of Pb 2+ and Zn 2+ from aqueous solution［J］. Environmental Science and Pollution Research， 2021， 28： 6 733⁃6 745.
10	Liu X， Wen Y， Qu J， et al. Improving salt tolerance and thermal stability of cellulose nanofibrils by grafting modification［J］. Carbohydrate polymers， 2019， 211： 257⁃265.
11	Miedzianowska J， Masłowski M， Rybiński P， et al. Properties of chemically modified （selected silanes） lignocellulosic filler and its application in natural rubber biocomposites［J］. Materials， 2020， 13（18）： 4 163.
12	Zhang Q， Ma Y， Qi Z， et al. Effect of alkali modification on the powder flowability of rapeseed straw cellulose fibers［J］. Journal of Natural Fibers， 2023， 20（1）： 2151546.
13	Chung H， Washburn N R. Chemistry of lignin⁃based materials［J］. Green materials， 2013， 1（3）： 137⁃160.
14	Balk M， Sofia P， Neffe A T， et al. Lignin， the Lignification Process， and Advanced， Lignin⁃Based Materials［J］. International Journal of Molecular Sciences， 2023， 24（14）： 11668.
15	Zhang S， Zhao X， Chen P， et al. High⁃performance adhesives modified by demethylated lignin for use in extreme environments［J］. New Journal of Chemistry， 2023， 47（14）： 6 721⁃6 729.
16	Zou S Lao L P， Li X Y， et al. Lignin⁃based composites with enhanced mechanical properties by acetone fractionation and epoxidation modification［J］. Iscience， 2023， 26（3）.
17	Han Y， Ma Z， Wang X， et al. Demethylation of ethanol organosolv lignin by Na₂SO₃ for enhancing antioxidant performance［J］. Sustainable Chemistry and Pharmacy， 2023， 36： 101312.
18	Kaur R， Uppal S K， Sharma P. Antioxidant and antibacterial activities of sugarcane bagasse lignin and chemically modified lignins［J］. Sugar tech， 2017， 19： 675⁃680.
19	Shorey R， Gupta A， Mekonnen T H. Hydrophobic modification of lignin for rubber composites［J］. Industrial Crops and Products， 2021， 174： 114189.
20	Abdulkhani A， Khorasani Z， Hamzeh Y， et al. Valorization of bagasse alkali lignin to water⁃soluble derivatives through chemical modification［J］. Biomass Conversion and Biorefinery， 2022： 1⁃9.
21	Kim R J， Kim H S. Development and characterization of potato amylopectin⁃substituted starch materials［J］. Food Science and Biotechnology， 2021， 30（6）： 833⁃842.
22	Yao X， Lin R， Liang Y， et al. Characterization of acetylated starch nanoparticles for potential use as an emulsion stabilizer［J］. Food Chemistry， 2023， 400： 133873.
23	Worzakowska M. Chemical modification of potato starch by graft copolymerization with citronellyl methacrylate［J］. Journal of Polymers and the Environment， 2018， 26： 1 613⁃1 624.
24	Li P， He X， Zuo Y， et al. Synthesis and characterization of lactic acid esterified starch by an in⁃situ solid phase method［J］. International Journal of Biological Macromolecules， 2020， 156： 1 316⁃1 322.
25	León O， Soto D， Muñoz⁃Bonilla A， et al. Amylose modified starches as superabsorbent systems for release of potassium fertilizers［J］. Journal of Polymers and the Environment， 2021： 1⁃15.
26	Clasen S H， Müller C M O， Parize A L， et al. Synthesis and characterization of cassava starch with maleic acid derivatives by etherification reaction［J］. Carbohydrate polymers， 2018， 180： 348⁃353.
27	Oluwasina O O， Olaleye F K， Olusegun S J， et al. Influence of oxidized starch on physicomechanical， thermal properties， and atomic force micrographs of cassava starch bioplastic film［J］. International journal of biological macromolecules， 2019， 135： 282⁃293.
28	Yang R， Wang H， et al. Application of chitosan⁃based materials in surgical or postoperative hemostasis［J］. Frontiers in Materials， 2022， 9： 994265.
29	Chen P， Tang F， et al. Influence of plasticiser type and nanoclay on the properties of chitosan⁃based materials［J］. European Polymer Journal， 2021， 144： 110225.
30	Huang Y， Feng L， Zhang Y， et al. Hemostasis mechanism and applications of N‐alkylated chitosan sponge［J］. Polymers for Advanced Technologies， 2017， 28（9）： 1 107⁃1 114.
31	Sutirman Z A， Sanagi M M， Abd Karim J， et al. New crosslinked⁃chitosan graft poly （N⁃vinyl-2⁃pyrrolidone） for the removal of Cu （II） ions from aqueous solutions［J］. International journal of biological macromolecules， 2018， 107： 891⁃897.
32	Chen W C， Chien H W. Enhancing the antibacterial property of chitosan through synergistic alkylation and chlorination［J］. International Journal of Biological Macromolecules， 2022， 217： 321⁃329.
33	Liu S， Wang Z， Song P. Free radical graft copolymerization strategy to prepare catechin⁃modified chitosan loose nanofiltration （NF） membrane for dye desalination［J］. ACS Sustainable Chemistry & Engineering， 2018， 6（3）： 4 253⁃4 263.
34	Piegat A， Żywicka A， Niemczyk A， et al. Antibacterial activity of N， O⁃acylated chitosan derivative［J］. Polymers， 2020， 13（1）： 107.
35	Wang L， Wen X， Zhang X， et al. Durable antimicrobial cotton fabric fabricated by carboxymethyl chitosan and quaternary ammonium salts［J］. Cellulose， 2021， 28： 5 867⁃5 879.
36	Hu X， Wang T， Li F， et al. Surface modifications of biomaterials in different applied fields［J］. RSC advances， 2023， 13（30）： 20 495⁃20 511.
37	Arumugham T， AlYammahi J， Rambabu K， et al. Supercritical CO₂ pretreatment of date fruit biomass for enhanced recovery of fruit sugars［J］. Sustainable Energy Technologies and Assessments， 2022， 52： 102231.
38	Wang X， Zhang Y， Jiang H， et al. Fabrication and characterization of nano⁃cellulose aerogels via supercritical CO₂drying technology［J］. Materials Letters， 2016， 183： 179⁃182.
39	Ubeyitogullari A， Ciftci O N. Formation of nanoporous aerogels from wheat starch［J］. Carbohydrate Polymers， 2016， 147： 125⁃132.
40	Wu Y， Cao F， Jiang H， et al. Preparation and characterization of aminosilane⁃functionalized cellulose nanocrystal aerogel［J］. Materials Research Express， 2017， 4（8）： 085303.
41	Ho K H， Lu X， Lau S K. In Situ Dispersion of Lignin in Polypropylene via Supercritical CO₂Extrusion Foaming： Effects of Lignin on Cell Nucleation and Foam Compression Properties［J］. Polymers， 2023， 15（8）： 1 813.
42	Santos⁃Rosales V， Ardao I， Alvarez⁃Lorenzo C， et al. Sterile and dual⁃porous aerogels scaffolds obtained through a multistep supercritical CO₂⁃based approach［J］. Molecules， 2019， 24（5）： 871.
43	Pajnik J， Dikić J， Milovanovic S， et al. Zeolite/Chitosan/Gelatin Films： Preparation， Supercritical CO₂ Processing， Characterization， and Bioactivity［J］. Macromolecular Materials and Engineering， 2022， 307（8）： 2200009.
44	Zhang D， Wang L， Zeng H， et al. A three⁃dimensional macroporous network structured chitosan/cellulose biocomposite sponge for rapid and selective removal of mercury （II） ions from aqueous solution［J］. Chemical Engineering Journal， 2019， 363： 192⁃202.
45	Liu G， Li J， Li X， et al. Preparation and properties of novel superhydrophobic cellulose nanofiber aerogels［J］. Journal of Nanomaterials， 2021， 2021： 1⁃8.
46	Ghanadpour M， Wicklein B， Carosio F， et al. All⁃natural and highly flame⁃resistant freeze⁃cast foams based on phosphorylated cellulose nanofibrils［J］. Nanoscale， 2018， 10（8）： 4 085⁃4 095.
47	Zhou T， Cheng X， Pan Y， et al. Mechanical performance and thermal stability of polyvinyl alcohol–cellulose aerogels by freeze drying［J］. Cellulose， 2019， 26： 1 747⁃1 755.
48	Long H， Hu L， Yang F， et al. Enhancing the performance of polylactic acid composites through self⁃assembly lignin nanospheres for fused deposition modeling［J］. Composites Part B： Engineering， 2022， 239： 109968.
49	Dragan E S， Ghiorghita C A， Dinu M V， et al. Fabrication of self⁃antibacterial chitosan/oxidized starch polyelectrolyte complex sponges for controlled delivery of curcumin［J］. Food Hydrocolloids， 2023， 135： 108147.
50	Lu Z， Zhou Y， Liu B. Preparation of chitosan microcarriers by high voltage electrostatic field and freeze drying［J］. Journal of bioscience and bioengineering， 2019， 128（4）： 504⁃509.
51	Rokkonen T， Willberg⁃Keyriläinen P， Ropponen J， et al. Foamability of cellulose palmitate using various physical blowing agents in the extrusion process［J］. Polymers， 2021， 13（15）： 2 416.
52	Veronese A F， de Souza Rocha T， Franco C M L， et al. Starch–carboxymethyl cellulose （CMC） mixtures processed by extrusion［J］. Starch‐Stärke， 2018， 70（11/12）： 1700336.
53	Yang P， Yan M， Tian C， et al. Solvent⁃free preparation of thermoplastic bio⁃materials from microcrystalline cellulose （MCC） through reactive extrusion［J］. International Journal of Biological Macromolecules， 2022， 217： 193⁃202.
54	Tang Y， Jean M， Pourebrahimi S， et al. Influence of lignin structure change during extrusion on properties and recycling of lignin‐polyethylene thermoplastic composites［J］. The Canadian Journal of Chemical Engineering， 2021， 99： S27⁃S38.
55	Sohn J S， Kim H K， Kim S W， et al. Biodegradable foam cushions as ecofriendly packaging materials［J］. Sustainability， 2019， 11（6）： 1 731.
56	Deng X， Gould M， Ali M A. Fabrication and characterisation of melt⁃extruded chitosan/keratin/PCL/PEG drug⁃eluting sutures designed for wound healing［J］. Materials Science and Engineering： C， 2021， 120： 111696.
57	Reichert C L， Bugnicourt E， Coltelli M B， et al. Bio⁃based packaging： Materials， modifications， industrial applications and sustainability［J］. Polymers， 2020， 12（7）： 1 558.
58	Ediyilyam S， George B， Shankar S S， et al. Chitosan/gelatin/silver nanoparticles composites films for biodegradable food packaging applications［J］. Polymers， 2021， 13（11）： 1680.
59	Guo A， Tao X， Kong H， et al. Effects of aluminum hydroxide on mechanical， water resistance， and thermal properties of starch⁃based fiber⁃reinforced composites with foam structures［J］. Journal of Materials Research and Technology， 2023， 23： 1570⁃1583.
60	Ren D， Wang Y， Wang H， et al. Fabrication of nanocellulose fibril⁃based composite film from bamboo parenchyma cell for antimicrobial food packaging［J］. International journal of biological macromolecules， 2022， 210： 152⁃160.
61	Li T， Zhang Y， et al. Thermoplastic and biodegradable sugarcane lignin⁃based biocomposites prepared via a wholly solvent⁃free method［J］. Journal of Cleaner Production， 2023， 386： 135834.
62	Joshi P， Gupta K， Uniyal P， et al. Cassava starch⁃derived aerogels as biodegradable packaging materials［J］. Materials Chemistry and Physics， 2023， 296： 127282.
63	Khanzada B， Mirza B， Ullah A. Chitosan based bio⁃nanocomposites packaging films with unique mechanical and barrier properties［J］. Food Packaging and Shelf Life， 2023， 35： 101016.
64	Li M E， Zhao H B， Cheng J B， et al. An effective green porous structural adhesive for thermal insulating， flame⁃retardant， and smoke⁃suppressant expandable polystyrene foam［J］. Engineering， 2022， 17： 151⁃160.
65	Lujan L， Goñi M L， Martini R E. Cellulose–Chitosan Biodegradable Materials for Insulating Applications［J］. ACS Sustainable Chemistry & Engineering， 2022， 10（36）： 12 000⁃12 008.
66	Breuer R， Zhang Y， Erdmann R， et al. Development and processing of flame retardant cellulose acetate compounds for foaming applications［J］. Journal of Applied Polymer Science， 2020， 137（28）： 48863.
67	Weng S， Li Z， Bo C， et al. Design lignin doped with nitrogen and phosphorus for flame retardant phenolic foam materials［J］. Reactive and Functional Polymers， 2023， 185： 105535.
68	Zhang J， Liu B， Zhou Y， et al. Gelatinized starch⁃furanic hybrid as a biodegradable thermosetting resin for fabrication of foams for building materials［J］. Carbohydrate Polymers， 2022， 298： 120157.
69	Jiang X， Zhang J， You F， et al. Chitosan/clay aerogel： Microstructural evolution， flame resistance and sound absorption［J］. Applied Clay Science， 2022， 228： 106624.
70	Hasibuan P A Z， Tanjung M， Gea S， et al. Antimicrobial and antihemolytic properties of a CNF/AgNP⁃chitosan film： A potential wound dressing material［J］. Heliyon， 2021， 7（10）.
71	Zhang S， Li L， Ren X， et al. N⁃halamine modified multiporous bacterial cellulose with enhanced antibacterial and hemostatic properties［J］. International Journal of Biological Macromolecules， 2020， 161： 1 070⁃1 078.
72	Jabbari F， Babaeipour V， Bakhtiari S. Bacterial cellulose⁃based composites for nerve tissue engineering［J］. International Journal of Biological Macromolecules， 2022.
73	Zhang Y， Jiang M， Zhang Y， et al. Novel lignin–chitosan–PVA composite hydrogel for wound dressing［J］. Materials Science and Engineering： C， 2019， 104： 110002.
74	Delavari M M， Stiharu I. Preparation and Characterization of Eco⁃Friendly Transparent Antibacterial Starch/Polyvinyl Alcohol Materials for Use as Wound⁃Dressing［J］. Micromachines， 2022， 13（6）： 960.
75	Yang Z， Ye T， Ma F， et al. Preparation of Chitosan/Clay Composites for Safe and Effective Hemorrhage Control［J］. Molecules， 2022， 27（8）： 2 571.
76	Deshpande P， Wankar S， Mahajan S， et al. Bacterial Cellulose： Natural Biomaterial for Medical and Environmental Applications［J］. Journal of Natural Fibers， 2023， 20（2）： 2218623.

生物质类型	生物质原料	改性方法	改性剂	材料的性能	参考文献
纤维素	木薯秸秆	酯化改性	乙二胺四乙酸酐	乙二胺四乙酸酐改性后的木薯秸秆复合材料对Pb²⁺和Zn²⁺吸附性提高，对两种离子最大平衡吸附量达163.93 mg/g和84.74 mg/g	［9］
	纤维素纳米原纤维（CNF）	接枝共聚改性	N，N⁃二甲基丙烯酰胺（DMA）和丙烯酸丁酯（BA）	接枝DMA和BA到CNF上制备纤维素纳米原纤维水凝胶，其热稳定性增强，105 ℃老化7d，改性后的CNF黏度下降了33.3 %，未改性的CNF黏度下降了99.3 %	［10］
	谷物秸秆	硅烷基化改性	正丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷和3，3′⁃四硫代双	硅烷改性制备复合材料，其疏水性提高，疏水角从70 °增加到131 °	［11］
	油菜籽秸秆	碱改性	氢氧化钠	碱改性秸秆纤维，其平均粒径减小了9.4 %至30.8 %，形态因子分布集中且规则	［12］
木质素	杨木、松木和稻壳木质素	去甲基化改性	亚硫酸钠	去甲基化改性制备3种改性木质素，酚羟基含量与抗氧化性都提高了，两者呈正相关，酚羟基含量杨木木质素从9.06 mg/g增加到15.91 mg/g，松木木质素由8.95mg/g增加到13.56 mg/g，稻壳木质素由10.66mg/g提高到16.76 mg/g	［17］
	牛皮纸木质素	甲硅烷基化改性	3⁃丙基异氰酸酯	甲硅烷基化改性复合材料疏水性增强，8 h时10 %（质量分数，下同）木质素改性材料的吸水率为8 %，比未改性的40 %降低32 %	［19］
	甘蔗渣	环氧化改性	环氧氯丙烷	环氧化改性后的木质素复合材料抗菌性增强，与未改性的木质素相比对阿里亚巴泰芽孢杆菌抑菌区从13.5 mm±0.2 mm增加到19 mm±0.3 mm	［18］
	甘蔗渣	胺化改性	乙二胺、异丙醇	胺化改性的木质素热稳定性提高，在末端降解温度500 ℃下，胺化木质素质量损失为30 %比未改性90 %降低60 %	［20］
淀粉	玉米淀粉	酯化改性	乳酸	乳酸酯化改性淀粉，在120 h改性后淀粉的吸水率为19 %低于天然淀粉27 %，酯化有效提高了淀粉的疏水性	［24］
	玉米淀粉	接枝共聚改性	马来酸钠、马来酸二钠	接枝改性后的淀粉材料具有高吸水性，其平衡膨胀值最大为2 365 %	［25］
	木薯淀粉	醚化改性	马来酸二乙酯，马来酸二丙酯和马来酸二丁酯	醚化改性淀粉疏水性提高，马来酸二乙酯、马来酸二丙酯及马来酸二丁酯淀粉接触角分别为（31.8±0.1） °、（30.0±0.1） °、（32.1±0.2） °	［26］
	木薯淀粉	氧化改性	高碘酸钾	氧化改性的淀粉生物膜力学性能增强，其断裂伸长率0.450 0 %是未改性生物膜0.220 %的2倍	［27］
壳聚糖	壳聚糖	烷基化改性	己醛	己醛烷基化改性制备壳聚糖膜，在6 h时，己醛改性的壳聚糖膜细菌数量为0.71×10⁵ cell/cm²与原始壳聚糖膜3.03×10⁵ cell/cm²相比抗菌性增强	［32］
		接枝共聚改性	儿茶素	儿茶素改性的壳聚糖膜对结晶紫和酸性品红水溶液两种染料的不可逆结垢率分别小于4 %和19 %，表明其良好的染料防污能力	［33］
		酰化改性	亚油酸、1⁃乙基⁃3⁃碳二亚胺盐酸盐	酰化壳聚糖材料抗菌性增强，在pH=5和最高浓度下，改性材料中金黄色葡萄球菌的活细菌细胞平均百分比为8 %，而未改性材料中活细菌细胞平均百分比为18 %	［34］
	羧甲基壳聚糖	酰胺化改性	三甲基氯化铵	酰胺化改性羧甲基壳聚糖制备抗菌棉织物具有优异的抗菌性能，其对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率值在99.9 %以上	［35］

生物质类型	生物质原料	改性方法	改性剂	材料的性能	参考文献
纤维素	木薯秸秆	酯化改性	乙二胺四乙酸酐	乙二胺四乙酸酐改性后的木薯秸秆复合材料对Pb²⁺和Zn²⁺吸附性提高，对两种离子最大平衡吸附量达163.93 mg/g和84.74 mg/g	［9］
	纤维素纳米原纤维（CNF）	接枝共聚改性	N，N⁃二甲基丙烯酰胺（DMA）和丙烯酸丁酯（BA）	接枝DMA和BA到CNF上制备纤维素纳米原纤维水凝胶，其热稳定性增强，105 ℃老化7d，改性后的CNF黏度下降了33.3 %，未改性的CNF黏度下降了99.3 %	［10］
	谷物秸秆	硅烷基化改性	正丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷和3，3′⁃四硫代双	硅烷改性制备复合材料，其疏水性提高，疏水角从70 °增加到131 °	［11］
	油菜籽秸秆	碱改性	氢氧化钠	碱改性秸秆纤维，其平均粒径减小了9.4 %至30.8 %，形态因子分布集中且规则	［12］
木质素	杨木、松木和稻壳木质素	去甲基化改性	亚硫酸钠	去甲基化改性制备3种改性木质素，酚羟基含量与抗氧化性都提高了，两者呈正相关，酚羟基含量杨木木质素从9.06 mg/g增加到15.91 mg/g，松木木质素由8.95mg/g增加到13.56 mg/g，稻壳木质素由10.66mg/g提高到16.76 mg/g	［17］
	牛皮纸木质素	甲硅烷基化改性	3⁃丙基异氰酸酯	甲硅烷基化改性复合材料疏水性增强，8 h时10 %（质量分数，下同）木质素改性材料的吸水率为8 %，比未改性的40 %降低32 %	［19］
	甘蔗渣	环氧化改性	环氧氯丙烷	环氧化改性后的木质素复合材料抗菌性增强，与未改性的木质素相比对阿里亚巴泰芽孢杆菌抑菌区从13.5 mm±0.2 mm增加到19 mm±0.3 mm	［18］
	甘蔗渣	胺化改性	乙二胺、异丙醇	胺化改性的木质素热稳定性提高，在末端降解温度500 ℃下，胺化木质素质量损失为30 %比未改性90 %降低60 %	［20］
淀粉	玉米淀粉	酯化改性	乳酸	乳酸酯化改性淀粉，在120 h改性后淀粉的吸水率为19 %低于天然淀粉27 %，酯化有效提高了淀粉的疏水性	［24］
	玉米淀粉	接枝共聚改性	马来酸钠、马来酸二钠	接枝改性后的淀粉材料具有高吸水性，其平衡膨胀值最大为2 365 %	［25］
	木薯淀粉	醚化改性	马来酸二乙酯，马来酸二丙酯和马来酸二丁酯	醚化改性淀粉疏水性提高，马来酸二乙酯、马来酸二丙酯及马来酸二丁酯淀粉接触角分别为（31.8±0.1） °、（30.0±0.1） °、（32.1±0.2） °	［26］
	木薯淀粉	氧化改性	高碘酸钾	氧化改性的淀粉生物膜力学性能增强，其断裂伸长率0.450 0 %是未改性生物膜0.220 %的2倍	［27］
壳聚糖	壳聚糖	烷基化改性	己醛	己醛烷基化改性制备壳聚糖膜，在6 h时，己醛改性的壳聚糖膜细菌数量为0.71×10⁵ cell/cm²与原始壳聚糖膜3.03×10⁵ cell/cm²相比抗菌性增强	［32］
		接枝共聚改性	儿茶素	儿茶素改性的壳聚糖膜对结晶紫和酸性品红水溶液两种染料的不可逆结垢率分别小于4 %和19 %，表明其良好的染料防污能力	［33］
		酰化改性	亚油酸、1⁃乙基⁃3⁃碳二亚胺盐酸盐	酰化壳聚糖材料抗菌性增强，在pH=5和最高浓度下，改性材料中金黄色葡萄球菌的活细菌细胞平均百分比为8 %，而未改性材料中活细菌细胞平均百分比为18 %	［34］
	羧甲基壳聚糖	酰胺化改性	三甲基氯化铵	酰胺化改性羧甲基壳聚糖制备抗菌棉织物具有优异的抗菌性能，其对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率值在99.9 %以上	［35］

发泡方法	优缺点	生物质原料	材料的性能	参考文献
超临界CO₂发泡	优点：操作简单、低成本、多功能性、可持续性和高效缺点：高运营和设备投资成本	杨树渣	纤维素通过超临界CO₂发泡制备气凝胶材料，其具有高CO₂吸附性，在1 bar，25 ℃和1 bar，0 ℃下，CO₂吸附量分别为1.7和 2.6 mmol/g	［40］
		碱性木质素粉	超临界CO₂在发泡过程中，有助于木质素在聚丙烯复合材料中的原位分散，从而提高泡孔密度，减小泡孔，提高泡孔均匀性	［41］
		玉米淀粉	玉米淀粉通过超临界CO₂制备无菌气凝胶，通过目视培养基的浊度，未经超临界CO₂发泡处理的气凝胶出现细菌条带	［42］
		高分子量壳聚糖	高分子量壳聚糖采用超临界CO₂制备生物膜，其具有抗菌性，能够形成直径分别约为 4 mm及8 mm 的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制区。	［43］
冷冻干燥发泡	优点：简单、灵活可控和环保缺点：操作时间长、孔径不易控制	纤维素纳米纤维	以明胶为交联剂通过冷冻干燥制备聚乙烯醇/纤维素纳米纤维/明胶气凝胶，其力学性能优良，该材料压缩模量最高为1.65 MPa，比纯纤维素纳米纤维气凝胶高91倍	［47］
		木质素	冷冻干燥制备的木质素纳米球/聚乳酸复合材料，其力学性能优良，与纯聚乳酸材料相比，复合材料的弯曲强度、拉伸强度和冲击强度分别提高了130.8 %、56.1 %和14.2 %	［48］
		马铃薯淀粉和大米淀粉	壳聚糖与淀粉通过冷冻干燥制备壳聚糖⁃马铃薯淀粉复合材料及壳聚糖⁃大米淀粉复合材料，自抗菌性良好，对金黄色葡萄球菌的自抗菌活性分别为96 %，98 %	［49］
		壳聚糖	采用冷冻干燥技术制备多孔壳聚糖微载体，其孔隙率较高，最大孔隙率接近90 %	［50］
挤出发泡	优点：工艺简单、操作过程时间短缺点：操作温度高、膨胀率低	微晶纤维素	微晶纤维素通过挤出发泡制备生物材料，其具有良好的热稳定性，该材料的玻璃化转变温度为113℃，比微晶纤维素的87℃高26℃	［53］
		牛皮纸木质素	牛皮纸木质素与聚乙烯通过挤出制备木质素⁃聚乙烯复合材料，其力学性能好，最高的拉伸强度为14.3 MPa	［54］
		糯玉米淀粉	淀粉与聚乳酸通过挤出发泡制备泡沫材料，其发泡率高，泡孔均匀，淀粉80 %/聚乳酸20 %时发泡率为94.2 %	［55］
		壳聚糖	壳聚糖挤出发泡制备复合材料，其具有优异的力学性能，拉伸强度最大为20 MPa	［56］

发泡方法	优缺点	生物质原料	材料的性能	参考文献
超临界CO₂发泡	优点：操作简单、低成本、多功能性、可持续性和高效缺点：高运营和设备投资成本	杨树渣	纤维素通过超临界CO₂发泡制备气凝胶材料，其具有高CO₂吸附性，在1 bar，25 ℃和1 bar，0 ℃下，CO₂吸附量分别为1.7和 2.6 mmol/g	［40］
		碱性木质素粉	超临界CO₂在发泡过程中，有助于木质素在聚丙烯复合材料中的原位分散，从而提高泡孔密度，减小泡孔，提高泡孔均匀性	［41］
		玉米淀粉	玉米淀粉通过超临界CO₂制备无菌气凝胶，通过目视培养基的浊度，未经超临界CO₂发泡处理的气凝胶出现细菌条带	［42］
		高分子量壳聚糖	高分子量壳聚糖采用超临界CO₂制备生物膜，其具有抗菌性，能够形成直径分别约为 4 mm及8 mm 的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制区。	［43］
冷冻干燥发泡	优点：简单、灵活可控和环保缺点：操作时间长、孔径不易控制	纤维素纳米纤维	以明胶为交联剂通过冷冻干燥制备聚乙烯醇/纤维素纳米纤维/明胶气凝胶，其力学性能优良，该材料压缩模量最高为1.65 MPa，比纯纤维素纳米纤维气凝胶高91倍	［47］
		木质素	冷冻干燥制备的木质素纳米球/聚乳酸复合材料，其力学性能优良，与纯聚乳酸材料相比，复合材料的弯曲强度、拉伸强度和冲击强度分别提高了130.8 %、56.1 %和14.2 %	［48］
		马铃薯淀粉和大米淀粉	壳聚糖与淀粉通过冷冻干燥制备壳聚糖⁃马铃薯淀粉复合材料及壳聚糖⁃大米淀粉复合材料，自抗菌性良好，对金黄色葡萄球菌的自抗菌活性分别为96 %，98 %	［49］
		壳聚糖	采用冷冻干燥技术制备多孔壳聚糖微载体，其孔隙率较高，最大孔隙率接近90 %	［50］
挤出发泡	优点：工艺简单、操作过程时间短缺点：操作温度高、膨胀率低	微晶纤维素	微晶纤维素通过挤出发泡制备生物材料，其具有良好的热稳定性，该材料的玻璃化转变温度为113℃，比微晶纤维素的87℃高26℃	［53］
		牛皮纸木质素	牛皮纸木质素与聚乙烯通过挤出制备木质素⁃聚乙烯复合材料，其力学性能好，最高的拉伸强度为14.3 MPa	［54］
		糯玉米淀粉	淀粉与聚乳酸通过挤出发泡制备泡沫材料，其发泡率高，泡孔均匀，淀粉80 %/聚乳酸20 %时发泡率为94.2 %	［55］
		壳聚糖	壳聚糖挤出发泡制备复合材料，其具有优异的力学性能，拉伸强度最大为20 MPa	［56］

生物质类型	生物质原料	性能	应用	参考文献
纤维素	毛竹	抗菌活性强	可生物降解食品包装	［60］
	醋酸纤维素	阻燃性及力学性能好	建筑隔热	［66］
	细菌纤维素	提高神经再生率，对细胞活性有积极影响	神经组织再生	［72］
木质素	甘蔗木质素	力学性能、疏水性和生物降解性好	包装材料	［61］
	木质素	抗压强度及阻燃性高	耐火建筑	［67］
	木质素	良好的杀菌活性、抗氧化活性、高力学性能	伤口愈合敷料	［73］
淀粉	木薯淀粉	高孔隙率、热稳定性及生物降解性好	用于种植、运输和移植幼苗的包装	［62］
	玉米淀粉	低导热性、良好的抗热降解稳定性和高极限氧指数	隔热和耐火建筑	［68］
	马铃薯淀粉	良好的降解、抗菌活性、流体吸收和足够的力学性能	伤口敷料	［74］
壳聚糖	壳聚糖	机械和阻隔性能强	食品包装	［63］
	羧甲基壳聚糖	阻燃和吸音性能好	吸音建筑	［69］
	壳聚糖	优异的生物相容性和止血性能	止血	［75］

环境友好生物质材料改性及发泡方法的研究进展

Research progress in modification and foaming methods of environmentally friendly biomass materials

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 5

参考文献 76

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	高挺彭强马秀清. 聚碳酸酯增韧改性研究进展[J]. , 2025, 39(1): 0-0.
[2]	郭三刺王蕾袁洪跃刘宪虎潘亚敏. 辐射制冷材料及其应用研究进展[J]. , 2025, 39(1): 0-0.
[3]	文麒霖, 贾雪华, 孙炎君, 牛思霁, 陈英红, 陈宁. 生物可降解塑料包装薄膜的制备及应用进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(9): 112-122.
[4]	崔豹, 杨建军, 吴庆云, 吴明元, 张建安, 刘久逸. 聚乳酸复合材料共混改性研究及应用进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(9): 129-136.
[5]	刘顺权, 张馨月, 冯占苗, 傅陈超, 薛平, 张润. PTFE改性技术及其性能优化研究进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(7): 112-119.
[6]	赵永飞, 张文才, 王科, 郝晓刚, 申峻, 杨喜英, 赵丽荣, 李建红, 赵志新, 乔杰. 废弃聚乙烯改性剂改性沥青研究及其应用技术进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(7): 93-99.
[7]	张正, 李方全, 李杰, 李长金, 郭敏, 王颖. 聚酰胺在医用卫生材料中的应用及研究进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(5): 113-119.
[8]	李双燕卢新宇苏琼赵梦驰阿丽旦·如扎洪王玉璞赵利斌. 环境友好生物质材料改性及发泡方法的研究进展[J]. , 2024, (12): 0-0.
[9]	贾明印, 徐文一, 任浩宇, 薛平. 螺杆挤出机相似放大理论的研究进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(1): 106-111.
[10]	李丹, 赵彪, 陈轲, 王帆, 张靖宇, 张凤波, 潘凯. 中空聚丙烯纤维制备及应用研究进展[J]. 中国塑料, 2023, 37(9): 109-114.
[11]	张文超辛菲刘昊育王雪晶. 有机长余辉材料研究进展[J]. , 2023, 37(6): 131-140.
[12]	马志蕊, 尹甜, 蒋志魁, 杨璠, 祝孟珂, 杨洋, 韩宇, 翁云宣, 张彩丽. PBS及其复合膜的制备及应用研究进展[J]. 中国塑料, 2023, 37(10): 24-33.
[13]	孙菁, 熊发强, 邓汝辉, 陶雅娴, 陈兴刚. 智能高分子材料在医学监控中的研究进展[J]. 中国塑料, 2023, 37(10): 40-49.
[14]	马志蕊尹甜蒋志魁杨璠祝孟珂杨洋韩宇翁云宣张彩丽. PBS及其复合膜的制备及应用研究进展[J]. , 2023, 37(10): 24-33.
[15]	孙菁熊发强邓汝辉陶雅娴陈兴刚. 智能高分子材料在医学监控中的研究进展[J]. , 2023, 37(10): 40-49.