石油基塑料引发的全球生态危机持续加剧，预计到2060年全球塑料年产量将达12.3亿吨，而回收率不足10%。纤维素作为地球上储量最丰富的天然高分子，凭借可再生、碳中性、本征力学强度等优势被视为最具潜力的塑料替代原料。但纤维素分子间致密的氢键网络使其加工难度极大，传统工艺要么依赖高温高能耗的化学改性，要么使用昂贵且难回收的离子液体，且再生材料普遍存在耐水性差、难以二次成型等短板，严重限制了纸基材料向工程塑料领域的拓展。

  传统“全溶解–全再生”路线虽能制备高强度纤维素膜，但彻底破坏了天然纤维骨架，且工艺步骤复杂、溶剂回收能耗高，难以对接现有造纸工业产线。近日，南京林业大学研究人员在材料领域权威期刊《Advanced Functional Materials》发表题为“Dynamic Fe³⁺-Cellulose Coordination Enables Ambient-Temperature Fabrication of Water-Resistant, Weldable, and Moldable Bioplastics”的论文，提出“表面限域部分溶解 + 原位动态配位交联”的新策略，利用FeCl₃/ZnCl₂/H₂O三元熔盐水合物体系，在常温下对商用纤维素纸进行可控解构与重构，一步构建Fe³⁺交联的多尺度纤维网络，制备出兼具高湿强、可焊接、可3D成型、快速降解的高性能纸基生物塑料（FMC-paper）。南京林业大学轻工与食品学院李鑫博士和本科生陈瑞为共同第一作者，马金霞教授、朱朋辉教授和王志国教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金（No. 22378207）的资助。

图1. FMC-paper的设计与制备。（a）制备流程示意图；（b）处理前后纤维网络结构演变示意图；（c）规模化制备的溶剂；（d）大尺寸纤维素纸基材；（e）制备的大尺寸FMC-paper样品；（f）FMC-paper与传统纸、PE的关键性能雷达图对比。

  本研究没有追求传统路线的完全溶解与均相重构，而是借鉴传统高浓度氯化锌高温制备刚纸的工业逻辑，利用三元熔盐水合物的常温溶解能力，对商用纤维素纸进行表面限域的部分溶解。如图1a-b所示，处理活化纤维表面区域，释放高活性纳米纤丝的同时完整保留内部刚性微纤维骨架；随后再生过程中，Fe³⁺通过与羟基的配位作用，将纳米纤丝“焊接”回微纤维骨架，消除纤维间隙与孔隙，形成致密连续的承载基体。图1c-e直观展示了工艺的可扩展性，可快速制备得到0.45×1.0 m²的大尺寸样品，同时工艺与现有造纸产线高度兼容。图1f的多维度雷达图对比显示，FMC-paper在拉伸强度、耐水性、可焊接性、生物降解性等核心维度全面超越传统纸张，综合使用性能可媲美商用聚乙烯塑料。

图2. 多尺度结构表征与配位交联机制。（a）原始纸、MC-paper、FMC-paper的表面SEM形貌；（b）表面三维轮廓；（c）截面SEM形貌；（d）XRD晶体结构分析；（e）EDS元素面分布；（f）高分辨XPS O 1s谱图；（g）FTIR 红外光谱；（h）分子构象模拟；（i）各组分间结合能计算。

  SEM形貌（图2a-c）清晰呈现了结构演变梯度：经Zn²⁺处理的MC-paper仅发生物理致密化，纤维轮廓依然清晰；引入Fe³⁺后，FMC-paper表面形成近乎连续的致密相，表面粗糙度从7.4 μm降至6.3 μm，纤维界面完全融合。XRD结果（图2d）验证了“部分溶解保留骨架”的核心设计：处理后纤维素I的特征衍射峰减弱，结晶度从84.9%降至72.7%，但特征峰并未完全消失，证明内部晶态微纤维骨架得到保留。XPS与FTIR谱图（图2f-g）给出了配位键的直接证据：FMC-paper在529.9 eV处出现独特的Fe-O配位峰，羟基伸缩振动发生特征蓝移，证实Fe³⁺与纤维素羟基形成了稳定的配位结构。分子动力学模拟（图2h-i）进一步从原子层面量化了相互作用强度：Fe³⁺与纳米纤维素的结合能高达-59542 kcal/mol，是纤维素链间氢键结合能的近25倍，从本质上解释了“分子铆钉”的强交联效应，也说明了为何仅少量Fe³⁺即可实现大幅力学增强。

图3. 力学性能表征与增强机理。（a）应力–应变曲线；（b）强度与断裂伸长率对比；（c）拉伸断面SEM形貌；（d）与多种商用塑料的强度–模量Ashby图对比；（e）拉伸前后分子构象变化；（f）模拟拉伸应力–应变曲线。

  如图3a-b所示，FMC-paper干态拉伸强度达41.6 MPa，是原始纸的3.25倍；同时断裂伸长率提升至4.9%，打破了传统纤维素材料“增强必脆”的固有规律。拉伸断面形貌（图3c）揭示了力学增强的微观根源：原纸为典型的纤维拔出断裂，断面粗糙松散；而FMC-paper断面平整致密，纤维界面完全融合，表明较高的界面结合强度，材料表现为连续体断裂。图3d的Ashby图对比显示，FMC-paper的力学性能区间覆盖LDPE、PP等商用非降解塑料，也优于PBAT、PCL等常见生物降解塑料。分子模拟结果（图3e-f）进一步阐明：拉伸过程中，Fe³⁺配位节点可通过可逆的键断裂与重组耗散能量，同时有效抑制链间滑移，这种“牺牲键”机制正是材料同时实现高强度与韧性的核心原因。

图4. 环境稳定性表征。（a）表面水接触角随时间变化；（b）吸水率曲线；（c）湿态应力–应变曲线；（d）湿态强度与断裂伸长率对比；（e）耐水机理示意图；（f）水浸泡30天后SEM表面形貌；（g）不同溶剂浸泡30天的外观照片；（h）180 °C下热稳定性对比。

  耐水性是纸基材料替代石油塑料的核心瓶颈。图4a-b显示，原始纸张瞬间完全润湿，而FMC-paper初始水接触角达61.3°，600 s后仍保持48.3°；饱和吸水率仅111.4%，低于原纸的167.7%。更突出的是湿态力学性能（图4c-d）：FMC-paper湿态拉伸强度达11.2 MPa，是原始纸的近28倍，且湿态断裂伸长率达22.7%，在水合状态下仍保持良好的承载能力与变形能力。这种优异耐水性源于“配位锁合 + 物理致密化”双重屏障（图 4e）：Fe³⁺占据表面羟基形成疏水配位层，从化学层面阻断水合作用；同时致密的微观结构阻断毛细吸水通路，从物理层面抑制水分渗透。30天长期水浸泡后，FMC-paper无微裂纹、无溶胀、无结构松散（图4f）；在水、乙醇、乙酸、NaOH、丙酮、DMSO等多种极性与酸碱介质中浸泡30天后，均保持结构完整（图4g）。热稳定性同样突出，180 °C高温处理30 min不熔融、不变形，表现出类热固性的行为，远超PE、PET等通用热塑性塑料（图 4h）。

图5. 动态焊接与形状可编程性。（a）焊接表面SEM；（b）焊接截面SEM；（c）干态焊接前后应力–应变曲线；（d）干态焊接强度与断裂伸长率对比；（e）湿态焊接前后应力–应变曲线；（f）湿态焊接强度与断裂伸长率对比；（g）焊接机理示意图；（h）3D成型流程示意图；（i）多种3D成型结构样品。

  动态可逆的配位键赋予材料类玻璃高分子的加工特性，这是传统纸材不具备的核心能力。如图5a-b所示，两片水润湿的FMC-paper经60 °C温和热压后，界面完全融合，无分层、无明显界限。定量测试显示，干态焊接强度达32.8 MPa，保留了本体强度的78%（图5c-d）；即使在湿态下，焊接强度仍达3.1 MPa（图5e-f），远高于传统纸基粘接界面遇水即失效的缺陷。图5g揭示了三阶段焊接机理：润湿溶胀激活表面链、热压诱导配位键交换重排、干燥后界面永久锁合，全程无需任何外加胶粘剂。利用这种水激活的动态特性，平面纸材可在水润湿状态下塑造成自支撑拱形、螺旋、绳结、立体花朵等复杂3D结构（图5h-i），干燥后形状永久固定，突破了传统纸材难以3D成型的局限。

图6. 吸管应用展示。（a）吸管制备流程；（b）吸管承受1000 g静载；（c）纵向压缩曲线；（d）横向压缩曲线；（e）循环压缩疲劳曲线；（f）穿刺土豆演示；（g）水中浸泡形貌变化；（h）红外热成像监测水渗透；（i）真空抽水演示；（j）不同水温下密封性能。

  为验证材料的实用性，采用水辅助自粘结工艺制备了无胶一体化吸管（图6a）。单根吸管可承受1000 g静载而不弯折（图6b），纵向最大压缩力近80 N，远超原纸吸管（< 20 N），也优于商用PE吸管（< 60 N）（图6c）。60%大应变下循环压缩10次，仍呈现接近重合的迟滞回线（图6e），证明其抗疲劳性能；吸管可轻松穿刺生土豆而不破损、不塌缩（图6f），满足严苛的使用场景要求。水浸泡2 h仍保持尺寸完整、无明显软化（图6g），红外热成像证实水分渗透被显著阻滞（图6h），可稳定实现真空抽水（图6i），在20–80 °C水温区间均保持良好密封性能（图6j）。在豆浆、咖啡、牛奶、可乐、果汁等多种市售饮料中浸泡2 h，材料结构完整；ICP-MS检测显示铁、锌溶出量远低于WHO饮用水标准，满足食品接触安全要求。

图7. 可持续闭环生命周期评估。（a）回收溶剂照片；（b）不同循环次数材料的应力–应变曲线；（c）循环强度与断裂伸长率保持率；（d）土壤掩埋降解对比；（e）闭环制备流程示意图；（f）与传统材料的环境影响归一化对比。

  溶剂体系可闭环回收是该工艺的核心可持续优势。图7a-c显示，溶剂循环使用10次后，制备的材料仍保留75%的初始拉伸强度；ICP-OES组分分析证实，可通过补加溶剂组分维持组成稳定，实现溶剂的长期循环使用。终端环境表现同样出色：35天自然土壤埋藏即可实现完全宏观崩解（图7d），远快于需要工业堆肥、自然环境下降解需数年的PLA，以及百年不降解的聚烯烃塑料；降解产物无植物毒性，释放的铁元素可作为养分回归土壤。图7e的全流程示意图显示，整个制备全程在常温下进行，溶剂连续循环回用，废水排放极低。摇篮到大门生命周期评估（LCA）显示，FMC-paper全球变暖潜值仅1.82 kg CO₂-eq/kg，比PLA低40%，比PE低21%；按拉伸强度、材料密度归一化后，在资源消耗、人体毒性、全球变暖等所有关键环境类别中，影响较传统纸、PLA和PE具备显著综合优势（图7f）。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.78733