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  在雙碳戰略背景下，利用纖維素紙基產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，也可以減少環境污染實現固碳增匯。隨著目前國內外限塑以及禁塑政策的逐步落實，纖維素紙基產品的需求和市場規模不斷擴大，性能優秀的纖維素紙基材料在塑料替代領域展現出巨大的應用潛力。近期，南京林業大學徐徐教授、武漢大學陳朝吉與高恩來教授以及中國林科院林產化學工業研究所劉鶴研究員團隊合作，通過動態氨基甲酸酯化學鍵與纖維素紙中羥基的相互作用，在微波輻射引發反應后快速且大規模的制備得到紙塑材料，顯著提升纖維素紙基產品力學性能、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聚合物網絡與纖維素紙之間的相互作用機理，進而明晰了結構對力學強度增強的機制，為“以紙代塑”的發展方向提供了切實可行的解決方案。

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

  通過將環碳酸酯化合物與胺類混合后的預聚物涂覆在纖維素紙張上，微波輻射固化后即可實現大規模紙塑產品的制備。該制備步驟簡單有效且快速，為后續纖維素紙基產品的大規模產業化應用提供理論基礎。拉曼、核磁、紅外以及SEM等分析證實了動態氨基甲酸酯鍵與纖維素之間形成化學交聯、氫鍵以及物理纏繞相互作用，從而對纖維素紙的力學強度顯著提升（由13MPa提升至126MPa）。同時，通過動力學模擬材料的網絡結構進行力學拉伸，模擬結果能夠較好的與實驗結果相符合，明晰了結構對力學性能增強的機制，也間接證實了含有動態化學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絡結構。

  通過網絡結構的設計，在顯著提升纖維素紙力學性能的同時，材料的熱穩定性和耐水耐溶劑性也得到改善。由于紙張固有的熱穩定性，改性后的纖維素紙塑材料表現出優于傳統商業塑料的熱穩定性，在150 ℃下放置半小時后仍能保持尺寸的穩定。纖維素紙塑材料通過引入的非異氰酸酯聚氨酯網絡，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以上的力學強度；在多種有機溶劑中浸泡后，也未發生顯著的溶解和溶脹現象，顯示了優秀的耐水耐溶劑性。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、紙吸管等產品，作為產品展示出優秀的氣體阻隔性能、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品應用的潛力。另外，纖維素紙塑材料能夠生物降解，且通過材料網絡結構的動態性，其即可化學降解回收也可物理熱壓再生，具有環境友好性。

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構及形貌分析

圖3 纖維素紙塑材料的力學性能及模擬分析

圖4 纖維素紙塑材料的穩定性分析（熱穩定性、耐水耐溶劑）

圖5 纖維素紙塑材料的產品示意、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秀力學強度、耐水耐溶劑性、熱穩定性、生物降解性和可回收的纖維素紙塑材料。該制備工藝為大規模快速和連續生產纖維素紙塑材料提供理論基礎，該材料所展示出的可持續性和卓越的性能使它們能夠成為傳統塑料的潛在替代品。

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