摘要 

低碳社會需要擺脫依賴石油煉制的產業模式，實現可持續發展。作為石油資源的替代品，礦物和植物在生物質煉制產業中展現出較大潛力。

國立工業科學技術研究所的Kazuhiro Shikinaka和森林綜合研究所的Yuichiro Otsuka等多團隊合作，在《RSC Advances》期刊上發表了一項題為“Noniammable UV protective films consisting of clay and lignin with tunable light/gas transparency"的研究。

該研究報道了一種以粘土礦物和木質素衍生物為原料的環保型阻燃紫外線防護膜。該膜通過酶法提取的木質素與粘土復合制備，全程無需危險化學品。通過調控兩者比例及相分離結構，可實現光學性能與氣體滲透率的精確調控，其中氣體透過率可在數 mol m?2 s?1 Pa?1 范圍內調節。該研究將天然礦物與植物成分轉化為高附加值工業材料，有助于降低對石油資源的依賴，減輕環境負擔。

 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、離心機、均質機、行星離心混合機、53 mm篩網、制膜刀、高分辨率場發射透射電子顯微鏡、GTR Tec GTR-11氣體透過率測試儀、霧度計、紫外-可見分光光度計。

GTR Tec GTR-11氣體透過率測試儀

方法

SESC木質素的制備

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，富含木質素的沉淀用等體積超純水洗滌兩次，離心后得到SESC木質素。

粘土-SESC木質素薄膜的制備

將一定量的粘土水凝膠加入超純水，用均質機在6000 rpm下分散15 min；攪拌狀態下向粘土分散液中滴加一定濃度的SESC木質素水分散體，按需加入Epocros®（調控薄膜結構）或PVA（增強薄膜性能），繼續攪拌25 min；混合物在室溫下冷卻30 min后，用行星離心混合機在2000 rpm下混合5 min；隨后通過53 mm篩網，并用行星離心混合機在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基薄膜經退火處理以獲得防水性能。

性能與結構表征

• 結構表征：采用200 kV的高分辨率場發射透射電子顯微鏡（FE-TEM）對薄膜橫截面進行結構觀察和元素mapping分析。

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

• 光學性能測試：用霧度計測定總透光率（TLT）和霧度值，用紫外-可見分光光度計測定200-800 nm波長范圍內的透過率，依據AS/NZS4399標準計算315-400 nm（UVA）和290-315 nm（UVB）范圍內的平均透過率。

• 熱性能測試：按照ISO 1210協議，采用UL-94垂直燃燒法評估薄膜的阻燃性能。

 結論 

該研究成功開發出一種由粘土與木質素復合制備的新型多功能薄膜材料。該薄膜在實現紫外線防護和阻燃性能的同時，具備可調控的氣體透過能力，并可通過環保的水基工藝制備，過程無需使用有害化學品。通過調整粘土與木質素的比例，可有效控制薄膜的結構與性能。例如，其氣體透過率可在較寬范圍內調節，阻氧性能顯著優于傳統聚合物材料，展現出在包裝或防護領域的應用潛力。這一工作將天然礦物與植物成分轉化為具有高附加值的工業材料，不僅實現了材料多功能化，也降低了對石油基資源的依賴，為推動綠色可持續材料的發展提供了可行路徑。