近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所李滨研究员团队联合东北林业大学沈静教授团队、美国密歇根州立大 杜海顺助理教授团队，提出了一种基于可回收熔盐水合物三水合溴化锂 (LiBr·3H₂O，LBTH) 的“2 秒表面限域重构”策略。该方法不引入聚合物添加剂、交联剂或有机溶剂，仅通过超短时溶剂处理和后续热压，即可将普通纤维素纸转化为兼具高强度、耐水性、热稳定性和可降解性的纤维素基生物塑料。

 

相关成果以“Two-second surface-confined reconstruction of cellulose paper via a recyclable molten salt hydrate for water-resistant bioplastics”为题，发表于英国皇家化学会期刊 Green Chemistry，并被选为封面文章。

 

 

研究团队发现，在 120 ℃ 条件下将纤维素纸在 LBTH 中处理 2 秒，可以实现纤维表面的局部、可控部分溶解，而不破坏纸张内部原始微米级纤维骨架。处理过程中，锂离子和溴离子协同削弱纤维素分子间氢键，使纤维表层发生解纤和链段重排；清洗和热压后，表面原位形成的纳米纤丝填充纤维间孔隙，并与微米纤维相互穿插，得到无外加聚合物、无化学衍生化的致密纳米纤丝—微米纤维互穿网络。

 

结构表征表明，该过程主要是物理结构重构，并未引起纤维素化学衍生化或晶型转变，材料仍保持天然纤维素 Iβ 晶型。经优化处理后，材料体积密度由 0.48 g·cm⁻³ 提高至 0.71 g·cm⁻³，界面氢键作用明显增强。纳米纤丝在相邻微米纤维之间发挥桥联和填充作用，扩大纤维接触面积，限制湿态条件下的纤维滑移和界面脱粘，从而实现力学性能与耐水性的同步提升。

 

图1. 三水合溴化锂两秒处理在保留纸张骨架的同时完成表层纳米纤化，并获得兼顾强度与耐水的生物塑料

 

优化样品的干态拉伸强度达到 69.9 MPa，是未经处理纤维素纸的 3.3 倍；湿态拉伸强度达到 27.1 MPa，提高约 22.2 倍。材料在水中浸泡一周后仍保持完整结构，并可承受 10 kg 载荷，显示出优异的湿态力学稳定性。与此同时，其 7 天吸水率由普通纸的 135% 降低至 82%，在乙醇、异丙醇、丙酮、四氢呋喃和二甲基甲酰胺等多种有机溶剂中浸泡 7 天后仍能保持结构完整。

 

该纤维素基生物塑料还表现出优异的热尺寸稳定性。在 0—120 ℃ 范围内，其热膨胀系数为 −69.89 μm·m⁻¹·℃⁻¹；在 120 ℃ 加热条件下，材料能够保持形状。材料最大热失重温度达到 348 ℃，基本保留了纤维素本身的热稳定性。

 

在可降解性测试中，该材料在模拟堆肥环境中约 20 天完全降解，在模拟填埋环境中约 60 天完全降解，而同尺寸聚乙烯薄膜在相同条件下基本保持完整。研究团队进一步将湿态材料直接卷制成纸吸管，无需额外胶黏剂。普通纸吸管入水约 30 秒即出现分层和软化，而重构后的纤维素吸管浸水 4 小时仍无明显分层，并在浸水 2 天后保持管状结构。

 

图2. 温度和浸泡时间优化后，重构纸在干态与浸水24小时后均显著提高拉伸强度

 

图3. XRD、FTIR与XPS表明处理主要引发物理重排和氢键重构，而未造成新的化学衍生化

 

图4. SEM和TEM揭示纳米纤丝桥接微米纤维并压实孔隙，形成表面限域互穿网络

 

图5. 重构纸兼具热尺寸稳定、低吸水、耐溶剂和可生物降解等使用属性

 

 

图6. 重构纸吸管浸水4小时仍保持完整

 

这项工作为普通纤维素纸的高性能化提供了一条快速、无添加、溶剂高效且具有放大潜力的技术路径，有望用于一次性吸管、食品包装和其他短周期使用的塑料替代产品，为生物质材料的高值化利用和绿色制造提供新思路。

 

论文链接: 

https://pubs.rsc.org/gc/article/28/23/9636/1249619/Two-second-surface-confined-reconstruction-of