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  在雙碳戰(zhàn)略背景下，利用纖維素紙基產(chǎn)品代替塑料不僅可以通過減少石化基材料的使用達到碳減排目標(biāo)，也可以減少環(huán)境污染實現(xiàn)固碳增匯。隨著目前國內(nèi)外限塑以及禁塑政策的逐步落實，纖維素紙基產(chǎn)品的需求和市場規(guī)模不斷擴大，性能優(yōu)秀的纖維素紙基材料在塑料替代領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。近期，南京林業(yè)大學(xué)徐徐教授、武漢大學(xué)陳朝吉與高恩來教授以及中國林科院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所劉鶴研究員團隊合作，通過動態(tài)氨基甲酸酯化學(xué)鍵與纖維素紙中羥基的相互作用，在微波輻射引發(fā)反應(yīng)后快速且大規(guī)模的制備得到紙塑材料，顯著提升纖維素紙基產(chǎn)品力學(xué)性能、耐水耐溶劑性的同時，保留材料的降解回收性與生物相容性。該項工作闡明了動態(tài)聚合物網(wǎng)絡(luò)與纖維素紙之間的相互作用機理，進而明晰了結(jié)構(gòu)對力學(xué)強度增強的機制，為“以紙代塑”的發(fā)展方向提供了切實可行的解決方案。

  相關(guān)研究以“Rapidly making biodegradable and recyclable paper plastic based on microwave radiation driven dynamic carbamate chemistry”為題發(fā)表在《Nature Communications》上，中國林科院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所楊欣欣博士（現(xiàn)工作單位為洛陽理工學(xué)院）和武漢大學(xué)余樂副研究員為論文共同第一作者。

  通過將環(huán)碳酸酯化合物與胺類混合后的預(yù)聚物涂覆在纖維素紙張上，微波輻射固化后即可實現(xiàn)大規(guī)模紙塑產(chǎn)品的制備。該制備步驟簡單有效且快速，為后續(xù)纖維素紙基產(chǎn)品的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。拉曼、核磁、紅外以及SEM等分析證實了動態(tài)氨基甲酸酯鍵與纖維素之間形成化學(xué)交聯(lián)、氫鍵以及物理纏繞相互作用，從而對纖維素紙的力學(xué)強度顯著提升（由13MPa提升至126MPa）。同時，通過動力學(xué)模擬材料的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行力學(xué)拉伸，模擬結(jié)果能夠較好的與實驗結(jié)果相符合，明晰了結(jié)構(gòu)對力學(xué)性能增強的機制，也間接證實了含有動態(tài)化學(xué)鍵的非異氰酸酯聚氨酯分子鏈段與纖維素鏈之間形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

  通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，在顯著提升纖維素紙力學(xué)性能的同時，材料的熱穩(wěn)定性和耐水耐溶劑性也得到改善。由于紙張固有的熱穩(wěn)定性，改性后的纖維素紙塑材料表現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)商業(yè)塑料的熱穩(wěn)定性，在150 ℃下放置半小時后仍能保持尺寸的穩(wěn)定。纖維素紙塑材料通過引入的非異氰酸酯聚氨酯網(wǎng)絡(luò)，阻止了親水纖維素鏈段吸水，從而在水中浸泡1周后，仍能保持80MPa以上的力學(xué)強度；在多種有機溶劑中浸泡后，也未發(fā)生顯著的溶解和溶脹現(xiàn)象，顯示了優(yōu)秀的耐水耐溶劑性。通過該策略對不同類型紙張進行改性制備紙塑材料，同時批量制備為紙板、紙袋、紙吸管等產(chǎn)品，作為產(chǎn)品展示出優(yōu)秀的氣體阻隔性能、生物相容性、熱封性能、印染能力等，顯示出制備工藝的簡便普適性以及作為產(chǎn)品應(yīng)用的潛力。另外，纖維素紙塑材料能夠生物降解，且通過材料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的動態(tài)性，其即可化學(xué)降解回收也可物理熱壓再生，具有環(huán)境友好性。

圖1 纖維素紙塑材料的制備、原料及性能對比示意圖

圖2 纖維素紙塑材料的結(jié)構(gòu)及形貌分析

圖3 纖維素紙塑材料的力學(xué)性能及模擬分析

圖4 纖維素紙塑材料的穩(wěn)定性分析（熱穩(wěn)定性、耐水耐溶劑）

圖5 纖維素紙塑材料的產(chǎn)品示意、阻隔性以及生物相容性

圖6 纖維素紙塑材料的降解性、回收性以及LCA分析

  本工作采用了簡便高效的流水線工藝來制造了具有優(yōu)秀力學(xué)強度、耐水耐溶劑性、熱穩(wěn)定性、生物降解性和可回收的纖維素紙塑材料。該制備工藝為大規(guī)�？焖俸瓦B續(xù)生產(chǎn)纖維素紙塑材料提供理論基礎(chǔ)，該材料所展示出的可持續(xù)性和卓越的性能使它們能夠成為傳統(tǒng)塑料的潛在替代品。

  全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-61722-0