南京林业大学/武汉大学/中国林科院《Nat. Commun.》：可快速、大规模制备的高强度、耐水耐溶剂、可降解回收纤维素纸塑材料

2025-07-18 13:50:16 作者：本网发布来源：高分子科技分享至：

在双碳战略背景下，利用纤维素纸基产品代替塑料不仅可以通过减少石化基材料的使用达到碳减排目标，也可以减少环境污染实现固碳增汇。随着目前国内外限塑以及禁塑政策的逐步落实，纤维素纸基产品的需求和市场规模不断扩大，性能优秀的纤维素纸基材料在塑料替代领域展现出巨大的应用潜力。近期，南京林业大学徐徐教授、武汉大学陈朝吉与高恩来教授以及中国林科院林产化学工业研究所刘鹤研究员团队合作，通过动态氨基甲酸酯化学键与纤维素纸中羟基的相互作用，在微波辐射引发反应后快速且大规模的制备得到纸塑材料，显著提升纤维素纸基产品力学性能、耐水耐溶剂性的同时，保留材料的降解回收性与生物相容性。该项工作阐明了动态聚合物网络与纤维素纸之间的相互作用机理，进而明晰了结构对力学强度增强的机制，为“以纸代塑”的发展方向提供了切实可行的解决方案。

相关研究以“Rapidly making biodegradable and recyclable paper plastic based on microwave radiation driven dynamic carbamate chemistry”为题发表在《Nature Communications》上，中国林科院林产化学工业研究所杨欣欣博士（现工作单位为洛阳理工学院）和武汉大学余乐副研究员为论文共同第一作者。

通过将环碳酸酯化合物与胺类混合后的预聚物涂覆在纤维素纸张上，微波辐射固化后即可实现大规模纸塑产品的制备。该制备步骤简单有效且快速，为后续纤维素纸基产品的大规模产业化应用提供理论基础。拉曼、核磁、红外以及SEM等分析证实了动态氨基甲酸酯键与纤维素之间形成化学交联、氢键以及物理缠绕相互作用，从而对纤维素纸的力学强度显著提升（由13MPa提升至126MPa）。同时，通过动力学模拟材料的网络结构进行力学拉伸，模拟结果能够较好的与实验结果相符合，明晰了结构对力学性能增强的机制，也间接证实了含有动态化学键的非异氰酸酯聚氨酯分子链段与纤维素链之间形成的网络结构。

通过网络结构的设计，在显著提升纤维素纸力学性能的同时，材料的热稳定性和耐水耐溶剂性也得到改善。由于纸张固有的热稳定性，改性后的纤维素纸塑材料表现出优于传统商业塑料的热稳定性，在150 ℃下放置半小时后仍能保持尺寸的稳定。纤维素纸塑材料通过引入的非异氰酸酯聚氨酯网络，阻止了亲水纤维素链段吸水，从而在水中浸泡1周后，仍能保持80MPa以上的力学强度；在多种有机溶剂中浸泡后，也未发生显著的溶解和溶胀现象，显示了优秀的耐水耐溶剂性。通过该策略对不同类型纸张进行改性制备纸塑材料，同时批量制备为纸板、纸袋、纸吸管等产品，作为产品展示出优秀的气体阻隔性能、生物相容性、热封性能、印染能力等，显示出制备工艺的简便普适性以及作为产品应用的潜力。另外，纤维素纸塑材料能够生物降解，且通过材料网络结构的动态性，其即可化学降解回收也可物理热压再生，具有环境友好性。