东林于海鹏/沈化赵大伟/UT-Austin余桂华AM：纤维素基工程塑料

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高分子科学前沿

2026-04-22 07:27发布于浙江

问AI · 纤维素基工程塑料如何平衡高性能与可降解性？
石油基塑料因其轻质、易加工等优势，已经广泛应用于日常生活、工业制造以及航空航天等领域。然而，石油基塑料高度依赖不可再生的化石资源且难以降解，导致大量塑料废弃物在自然环境中堆积，对生态系统和生物多样性造成严重威胁。利用可再生的生物质资源开发兼具高性能与环境友好的可持续塑料，可为缓解石油基塑料污染提供有效的解决方案。纤维素作为自然界中最丰富的天然高分子资源，来源广泛、可再生和可降解，在生物质基塑料领域展现出巨大潜力。近年来，研究人员通过调控纤维素分子结构及其氢键网络，构建了一系列可降解的纤维素基生物塑料，然而，如何在保持环境友好性的同时，使纤维素生物塑料具备优良的机械性能、热稳定性以及加工适应性以满足工程应用，仍然是一项重要挑战。近日，东北林业大学于海鹏教授、沈阳化工大学赵大伟教授和德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授合作，通过离子络合诱导纤维素分子组装形成分子网络骨架，并原位引入聚丙烯酰胺（PAAm）分子，利用溶剂调控超分子网络构型，开发了一种低密度、高强度的纤维素基工程塑料（CEP）。CEP表现出优异的机械性能、热稳定性和环境稳定性，兼具可成型性与生物降解性，为高性能可持续的工程塑料的开发提供了新思路。相关成果以“Cellulosic Engineering Plastic with High Shapeability, Recyclability, Lightweight and High-Strength Properties”为题发表于Advanced materials期刊。文章第一作者为东北林业大学博士研究生曾素清，通讯作者为于海鹏教授、赵大伟教授和余桂华教授。
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图1分子工程策略构建纤维素基工程塑料（CEP）
在本研究中，作者利用氯化锌/甲酸水合溶剂体系打破天然纤维素分子间和分子内的氢键相互作用，使纤维素溶解并实现甲酰化修饰。随后引入Ca2+诱导纤维素分子络合形成纤维素网络骨架，在此基础上，通过原位聚合的方式引入PAAm分子，与甲酰化纤维素形成超分子网络；随后利用乙醇调控超分子氢键构型，使PAAm分子围绕纤维素分子卷曲缠绕，最终形成坚固的纤维素基工程塑料。甲酰化的纤维素分子在Ca2+的诱导下促进形成更致密的纤维素网络结构，分子动力学模拟和小角X射线等结果证明，纤维素与PAAm在乙醇的参与下发生构型转变和聚集，形成逐渐致密的纳米聚集，最终形成具有低密度（0.73 g/cm3）的纤维素基工程塑料（图2）。
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图2CEP形成的分子机制与形貌特征
对CEP的机械性能进行系统评估，测试结果表明，CEP的拉伸强度可达105.7 MPa，弹性模量为2.0 GPa，弯曲强度强度和模量分别达到106.6 MPa和3.4 GPa，超过常见塑料（如聚丙烯（PP）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚碳酸酯（PC）及聚乳酸（PLA）等）和复合生物塑料。CEP的抗冲击强度达到77.5 kJ/m2，纳米压痕测试结果显示CEP兼具较高刚度与良好的塑性响应，其压痕模量达到6.06 GPa，硬度达到0.56 GPa，明显优于传统塑料，表明CEP能够在外力作用下有效耗散冲击能量并保持结构完整性。致密组装的纤维素骨架提供承载结构，PAAm分子链通过氢键作用与纤维素卷曲增强氢键网络，实现效应力传递与能量耗散协同作用，使CEP在保持轻质特性的同时实现了高强度和韧性。
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图3CEP的卓越机械性能
除优异的力学性能外，材料在极端温度以及复杂环境条件下的尺寸稳定性和结构可靠性是衡量工程塑料应用潜力的重要指标。CEP 在-25 °C至100 °C的温区范围内处理7天后依然能够保持稳定的尺寸形态和韧性。在热机械性能方面，CEP的玻璃化转变温度达到154.2 °C，在100 °C 条件下仍保持约2 GPa的储存模量。同时，其线性热膨胀系数为21.9×10-6 K-1，表明CEP在较宽温度范围内能够保持良好的尺寸稳定性和结构完整性，满足高温工程应用需求。在66%相对湿度环境下存放30天后，其三维结构几乎未发生体积变化；进一步研究表明，CEP 在丙酮、甲醇、异丙醇、三氯甲烷、四氢呋喃、乙酸乙酯及正己烷等多种有机溶剂中浸泡超过150天后，未出现明显溶胀、结构坍塌或性能退化现象。
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图4CEP的热机械性能与稳定性
工业塑料通常依赖挤出、注塑和模压等熔融加工方式实现复杂结构制造。针对这一需求，作者充分利用CEP优异的可塑性，并结合乙醇诱导超分子构型调控固定结构的方法，使CEP在常温下加工成多种复杂形状的产品。进一步放大制备工艺，可实现尺寸达50×35 cm的大尺寸CEP产品，并可进一步加工形成波纹建筑板、汽车内饰结构件以及蜂窝结构等典型工程构件，表明CEP的工程化应用潜力。CEP 还表现出良好的可重复加工特性，通过简单水处理软化可重塑为其他形状，再经乙醇处理定型，实现多次重复塑形加工。在连续 20 次循环加工过程中，其拉伸强度仍可保持在约 89 MPa，表现出稳定的结构性能保持能力。此外，用于纤维素溶解的氯化锌/甲酸水合溶剂体系具备良好的循环利用能力，体现该体系良好的绿色制造潜力。
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图5CEP的形状可控设计
对CEP进行生命周期评价，与商用塑料PP、ABS和PLA相比，CEP在全球变暖趋势、化石资源消耗和生态毒性等多个关键指标均表现明显优势，整体环境影响显著低于传统石油基塑料材料。CEP的生产成本介于传统石油基塑料（PP、ABS）与典型生物塑料PLA之间。降解实验表明，在自然土壤掩埋条件下，CEP在64天内可实现生物降解。
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图6CEP的环境影响评估、经济可行性以及生物降解性
总结与展望
本研究提出一种离子络合诱导分子组装的结构调控策略，利用Ca2+诱导纤维素组装，并调控超分子网络构型，成功制备一种具有低密度、高强度、良好可塑性的纤维素基工程塑料，兼具循环成型性和生物降解性。本研究利用金属盐水合溶剂体系实现纤维素的溶解、改性与结构调控，结合常见工业化学原料构建了一条简单高效的制备路线，具备良好的规模化应用潜力。同时，由于可逆超分子组装机制，CEP无需传统高能耗热固化过程即可完成结构定型，从而实现复杂结构构建，且可重塑加工，展现出良好的循环利用潜力。技术经济分析与生命周期评估结果进一步表明，CEP在保持优异结构性能的同时具有较低能耗水平和显著环境优势。
凭借优异的力学性能、环境稳定性以及加工适应能力，CEP 在工程结构材料、建筑板材以及汽车与航空航天轻量化构件等领域展现出良好的应用前景。