行业动态

塑料污染问题正持续挑战全球环境治理体系。传统塑料因其来源于石化资源且降解周期极长，正在逐步被限制使用。在这一背景下，基于天然纤维素的纸张材料凭借其可再生、可降解等绿色属性，被寄予厚望成为塑料的替代品。然而，天然纸张强度不足、耐水性差等缺陷长期限制了其工程应用。

这一难题在近期迎来突破。武汉大学、南京林业大学与中国林科学研究院等单位合作，开发出一种基于动态氨基甲酸酯化学的新型纸基塑料，仅需 2 分钟微波辐射即可完成纤维素纸的高性能塑化改性。这一方法不仅显著提升了材料的力学与环境稳定性，同时保留了其生物降解与回收能力，堪称“以纸代塑”的现实路径。该成果以“Rapidly making biodegradable and recyclable paper plastic based on microwave radiation driven dynamic carbamate chemistry”为题发表在 Nature Communications 上。

该研究的关键技术突破，是首度将“动态氨基甲酸酯化学”成功应用于纤维素纸的快速改性。研究团队设计了一种由两种环状碳酸酯——碳酸化大豆油（CSBO）与脱氢枞酸基碳酸酯（APAC）——和聚乙烯亚胺（PEI）组成的三元预聚混合体系，这三种组分在 1:1 的官能团摩尔比下混合，能够在无催化剂条件下与纸张中的羟基发生交联反应。反应通过微波辐射激活，仅需 2 分钟即可完成快速固化，将原始纤维素纸转化为塑料状高分子复合材料，命名为纸塑料（paper plastic）。

图 | 微波辐射驱动下的纸塑材料快速制备流程图

该过程的分子基础是非异氰酸酯聚氨酯（NIPU）的生成，其中碳酸酯与胺基生成动态氨基甲酸酯键（carbamate bond），而这些键又能与纤维素表面的羟基发生可逆交联反应。这种动态共价网络的形成，不仅赋予了材料可重构、可回收的性能，还显著提升了其力学性能。拉曼光谱验证了 C=O 键在纸张表面均匀分布，红外和扫描电镜（SEM）结合 EDS 图像则展示了 NIPU 均匀填充于纤维结构间的孔隙中，形成致密的交联网络。

这种微观结构重塑带来了前所未有的性能提升。拉伸测试显示，改性后的纸塑材料抗拉强度达到 126 MPa，相比未经处理的纤维素纸提升近十倍；其韧性也由 0.15 MJ/m³ 跃升至 3.63 MJ/m³。值得强调的是，即便单独制备的 NIPU 材料抗拉强度仅为 3.2 MPa，但与纤维素协同构建的纸塑却能承重 65 kg 成人体重，充分说明交联结构在提升界面结合强度中的作用。

多尺度建模模拟揭示，纸塑材料呈现出连续高应力带，表明其具有更优的应力传导效率。模拟结果显示，交联碳酸酯键显著阻止了纸张微纤维间的滑移（microfibril slippage），并在断裂形貌上体现为整齐平整的断面，而非原始纸张中常见的拉丝与纤维撕裂结构。

图 | 模拟与实验揭示 NIPU 交联抑制纤维素微纤维滑移，提升应力传导效率并改善断裂形貌

除了显著的力学性能提升，该材料还在热稳定性和化学稳定性方面展现出优异表现。在 150°C 高温下加热 30 分钟，纸基塑料保持尺寸稳定，远超商业 PE、PP 等常见塑料材料的耐热极限。在防水与溶剂稳定性测试中，改性纸塑的接触角大于 100°，说明其表面高度疏水；即便在水中浸泡 7 天后，材料仍能维持约 89 MPa 的湿态强度。在丙酮、乙酸乙酯、正己烷等多种有机溶剂中浸泡一周也无明显溶胀或颜色变化，体现出动态聚合网络良好的化学惰性。

这项技术的另一个亮点在于其可加工性与绿色循环能力。研究团队不仅实现了 10 米级纸塑卷材的连续生产，还展示了纸袋、纸杯、纸吸管等多种实际用品的制备，并验证其可热压焊接、热封、染色与印刷能力，具备商业化转化所需的基本功能。在回收再生方面，纸塑材料得益于动态氨基甲酸酯键的可逆特性，既可在热压下物理重塑，也可通过碱性水解实现 NIPU 的化学解聚与纤维素纸的回收复原。生物降解实验则显示，该材料在自然土壤中可于 180 天内完全降解，不会产生微塑料，且具备良好的人体生物相容性，具备在包装、食品接触材料等领域应用的可能性。

图 | 纸塑材料的生物降解性

从生命周期评估（LCA）来看，该纸基塑料在“碳足迹强度”（即单位强度下的温室气体排放）方面优于 14 种主流塑料薄膜与复合材料。其单位生产碳排约为 6.8 kg CO₂-eq/kg，低于热固性塑料如环氧树脂，并接近 HDPE、LDPE 等高密度聚乙烯的平均水平。这得益于高达 82% 的生物基碳含量、简化的生产工艺及较低的能耗。在技术经济分析中，纸塑材料的制造成本为 13.1 元/公斤，虽略高于传统 PE 的 8.8 元/公斤，但明显低于可降解塑料如 PLA（22.7 元/公斤）与 PCL（45 元/公斤），在可持续发展战略框架下具有良好的经济可行性。

总体而言，这项研究从材料设计、反应机理、性能验证到工程示范形成了一条完整的技术闭环。它不仅推动了动态共价化学在天然高分子改性中的应用，更为“以纸代塑”提供了可操作、可扩展的解决方案。借助微波快速激活、动态键灵活重构及可再生原料体系，该团队实现了一种新型高性能纸塑材料的快速制备路径，为绿色替代材料产业注入了新动能。

参考链接：

1.Yang, X., Yu, L., Zhang, B. et al. Rapidly making biodegradable and recyclable paper plastic based on microwave radiation driven dynamic carbamate chemistry. Nat Commun 16, 6523 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61722-0

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