全球对石油基塑料的依赖已经到了"地球也想取消关注"的程度——环境污染与资源枯竭的双重暴击，让我们不得不寻找可持续的"Plan B"。源自木材的纤维素纤维凭借"可生物降解+可再生+环境友好"的三重光环，本应是塑料的完美替身，但这家伙有个致命伤：亲水性太强，就像个永远拧不干的海绵宝宝，一碰水就软，强度还跟着掉链子。
更扎心的是，想让天然纤维材料在常温下实现防水密封或焊接，传统路子不是高温加热就是化学改性，工序复杂到让人怀疑人生，成本高得离谱，还可能顺带制造新的环境与健康风险。亲水性生物聚合物（淀粉、壳聚糖等）干态时猛如虎，湿态秒变纸老虎；疏水性选手（蜂蜡、木质素）虽防水，但加工难度堪比"手搓芯片"。总之一句话：我们急需一种全程绿色、可扩展、高性价比的方案，能同时搞定机械强度与防水性能，还只靠生物质原料自个儿玩。
武汉大学邓红兵教授与赵泽副教授团队决定"让生物质自己卷自己"，提出了一套基于壳聚糖（CS）的 "多尺度叠Buff"策略 ：利用静电作用、氢键和疏水缔合的三重奏，把带负电的微米级花粉薄片和带正电的壳聚糖像"夹心饼干"一样层层组装到纤维素纤维网络里，最终形成一个致密、稳定还防水的结构。关键是——不化学改性、不热处理、不机械压制，全程躺赢。
这个仅靠纤维素、花粉和壳聚糖三兄弟搭起来的FP-CS复合材料，硬核数据如下：
这项"全程绿色、低能耗、可规模化"的技术，用生物质原料玩出了高性能复合材料的顶配效果，堪称塑料替代界的"六边形战士"。相关成果以"Hierarchical assembly of biomass fiber–lamella–macromolecule networks for biocomposites with high strength and water-resistant sealing"为题，发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上——是的，连顶级期刊都忍不住给这个"绿色外挂"点赞了。
重要图文
图1 | FP-CS复合材料的制备。（A）制备过程的示意图以及通过多尺度网络组装和重组实现FP-CS复合材料的机械强度、防水性和无缝密封的闭环使用原理。（B）通过将纸浆纤维和花粉微凝胶颗粒以及CS强化剂整合在一起实现FP-CS复合材料的大规模生产。（C）将纤维/花粉浆液浇铸并自然风干，直接制备FP复合材料。（D）FP-CS复合材料（200 cm×50 cm×0.01 cm）的摄影图像，展示了其柔韧性和大规模加工性。（E）水滴在纯纸浆纸、FP复合材料和FP-CS复合材料表面的扩散和润湿行为。（F）FP-CS复合材料、商业纸、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料和聚乳酸（PLA）塑料性能比较的雷达图。
图2 | FP-CS复合材料的结构演变及其力学性能（A）花粉微凝胶颗粒的光学显微镜图像，其中插入图展示了其宏观的凝胶状特征。（B）花粉微凝胶颗粒干燥后的SEM图像。（C）干燥前后的花粉微凝胶颗粒的激光共聚焦显微镜图像，同时附有描绘干燥过程的图示。（D）光学显微镜图像和照片（插入图）所示的纤维/花粉浆料。（E）干燥的稀释FP浆料的SEM图像，以展示其相互作用（在图示中展示）。（F）CS溶液和FP复合材料的Zeta电位。（G）FP复合材料（I）和FP-CS复合材料（II）的表面SEM图像及相应的三维表面轮廓图像。（H）FP 复合材料（I）和FP-CS复合材料（II）的横截面SEM图像。（I）复合材料在CS溶液中浸泡前后的面积和厚度的尺寸变化。（J）CS、FP复合材料和FP-CS复合材料的FTIR光谱。（K）FP-CS复合材料的摄影图像，以展示其柔韧性、可折叠性和透明度。（L和M）FP复合材料和FP-CS复合材料的力-位移曲线（L）和应力-应变曲线（M）。（N）本研究的机械性能与已报道的其他生物复合材料的比较。
图3 | FP-CS复合材料的防水性能。（A）FP复合材料和FP-CS复合材料在水中浸泡1天后的膨胀情况。水接触角变化（B）和吸水率（C）随时间的变化情况。（D）FP复合材料和FP-CS复合材料在水中浸泡1天后的应力-应变曲线。浸泡后的FP复合材料（E）和FP-CS复合材料（F）的断裂表面SEM图像。7天浸泡后的断裂FP复合材料的摄影图像（G）及其表面（H）和横截面（I）的SEM图像。7天浸泡后的完整FP-CS复合材料的摄影图像（J）及其表面（K）和横截面（L）的扫描电子显微镜SEM图像。（M）FP-CS复合材料防水性能增强的机制示意图。
图4 | 采用CS连接剂的FP-CS生物复合材料的防水密封性能。（A）带有CS连接剂的FP-CS生物复合材料的显微镜照片和SEM图像。（B）浸泡在水中7天的已连接的FP-CS生物复合材料的显微镜照片和SEM图像。干燥状态和潮湿状态下的已连接FP-CS的应力-应变曲线。（C）干燥状态和（D）潮湿状态下的已连接FP-CS的粘附强度。（E）干燥和潮湿状态下已连接FP-CS的表面电位。（F） CS溶液和FP-CS生物复合材料的表面电位。（G）不同pH值下FP-CS生物复合材料的表面电位。（H）显示CS溶液在干燥后扩散到FP-CS生物复合材料中并形成交织层的共聚焦显微镜图像。（I）使用CS作为绿色粘合剂实现FP-CS生物复合材料防水粘接的机制。
图5 | 高性能的FP-CS生物复合吸管。（A）通过滚压和CS浸泡的方式制备FP-CS生物复合吸管的过程。（B）该FP-CS生物复合吸管能够承受1000 g的重量。（C）纸、FP复合材料和FP-CS生物复合材料吸管的三点弯曲测试。（D）经过20次三点弯曲测试的FP-CS生物复合吸管的测试结果。（E） FP-CS生物复合吸管的侧向压缩测试，模拟咬合动作，进行了10次循环。（F） FP-CS生物复合吸管足够坚固，能够刺入土豆中。照片图像（G）和红外热成像图像（H）：分别展示吸管、FP复合材料和FP-CS生物复合材料吸管在水中浸泡0、3和6小时后的状态。（I）在不到2分钟内用500 mL水对FP-CS生物复合吸管进行抽吸测试。（J）在20至80 °C的温度范围内浸泡过的FP-CS生物复合吸管，吸管顶部放置气球，气球逐渐膨胀。
图6 | 多种防水用途、循环利用以及可持续性。（A）一种具有长期储水能力的纯FP-CS生物复合袋的制备过程。（B）这种大型的FP-CS生物复合袋能够容纳多达2 kg的鱼和水。（C-E）当与CS结合作为绿色粘合剂时，FP-CS生物复合材料可以作为防水补片，用于修复基于FP-CS生物复合材料的破损容器。（F）通过将废FP-CS生物复合材料破碎并重新浇铸来实现其回收和再利用。（G）埋在土壤中的FP生物复合材料、FP-CS生物复合材料以及再利用的生物复合材料的降解情况。（H）FP生物复合材料、FP-CS生物复合材料以及再利用的生物复合材料的降解速率。（I）与其他纸基复合材料（纤维素纸、三聚氰胺纸、PET层压纸）、传统塑料（PET）以及可生物降解塑料（PLA）相比，FP-CS生物复合材料的生命周期评估。
研究结论
本研究基于生物质材料独特的理化特性，开发了一种高性能全生物质来源生物复合材料的制备策略。该方法通过调控微观结构与多种非共价相互作用，实现了纸浆纤维、花粉微片与壳聚糖（CS）生物聚合物之间的协同组装与多尺度重构，整个过程无需依赖热处理或机械压制。所得FP-CS生物复合材料的拉伸强度达到纯纤维素纸基材料的近15倍，且在机械性能方面优于多数依赖高温或高压工艺的纸基复合材料。此外，CS在该体系中兼具粘合剂与长效耐水增强剂的双重功能，不仅提升了材料的本体性能，还实现了稳定的防水密封效果，从而拓展了该类材料在吸水包装、修复贴片和环保吸管等领域的适用性。FP-CS复合材料还表现出良好的闭环回收能力与生物降解性，其全生命周期环境影响较小，具备可持续材料应用的潜力。总体而言，本研究提出了一种基于多尺度相互作用的全生物质系统构建策略，系统挖掘并整合了不同生物质组分所固有的理化特性，为开发高性能、耐水性强且环境友好的生物复合材料提供了新路径。该策略与发现也可为其他生物基功能材料的设计与制造提供参考。
本文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202515166
说明：
«本文仅做科研人员学术交流。
«本文内容若存在版权问题，请联系我们。
«欢迎广大读者对本文进行宣传转发。
«欢迎广大科研工作者投稿最新研究成果。投稿邮箱：biomass_new@163.com
