一次性塑料餐具因低成本与便利性被广泛使用，但难降解特性引发严重的环境污染和微塑料危害，正面临全球严格管控。在此背景下，源自可再生木质纤维素的纸浆模塑餐具（PMUs）因具备可降解、可回收和可堆肥等优势，被视为替代塑料的理想选择。然而，其亲水性强、结构疏松，导致耐水、耐油和抗冻融性能不足。尽管已有改性尝试，如纤维混合、涂层或化学处理，但往往伴随渗漏、成本高和回收难，限制了大规模应用。因此，如何在保持绿色可降解特性的同时实现结构与界面性能的协同提升，已成为推动纸浆模塑产业化发展的核心瓶颈和关键挑战。

  近日，广西大学王双飞院士团队李许生课题组提出了一种基于生物质的新型纸浆模塑餐具（LP-PMUs）制备策略，兼具可持续性与规模化应用潜力。该方法通过木质素驱动的纤维“焊接”和聚（3-羟基丁酸酯-4-羟基丁酸酯，PHB）保形涂层的协同作用，构建出结构致密、耐油耐冻融的高性能材料。研究中，细小纤维有效填充孔隙，残余木质素在热压下自交联增强结构强度，同时木质素与PHB在界面兼容形成可降解防护层。这一创新性的木质素功能化利用路径，不仅克服了传统纸模餐具的耐久性瓶颈，也为替代一次性塑料提供了可行的新方案。这项成果以题为《Freeze–thaw durable, oil-resistant molded pulp via lignin-driven fiber welding and conformal coating for sustainable plastic alternatives》发表在最新一期的《Chemical Engineering Journal》期刊上，2025级硕士研究生邱剑升为本研究的第一作者，李许生副教授为通讯作者，董藤藤、蔡辰辰、刘永斐、唐方圆、胡清娣和吴训潇参与研究。

1. 设计与制备

  LP-PMUs呈现层级结构，其核心部分为致密压实且力学增强的卓越冻融稳定性纤维网络，外部包裹着具有优异防油性的功能性外壳。LP-PMUs的制备先通过化学预处理增加酚羟基和羧基含量，从而提升了残余木质素的反应活性。再利用机械精磨产生细小纤维填充空隙，促进纤维间的紧密接触。最后的热压过程中，残余木质素发生热软化、重新分布及自交联，与 PHB 在表面发生共熔，形成连续保形阻隔层，从而提升模塑结构的整体力学完整性并实现高效无氟防油性。这一集成策略实现了三个相互关联的设计目标：（1）通过化学与机械处理实现纤维网络致密化，使内部纤维基质紧密排列；（2）借助木质素焊接强化纤维 - 纤维界面，提升力学稳定性；（3）利用木质素与 PHB 的界面共熔，构建可生物降解的防油表层。

图1. 纸浆模塑餐具的合成和特性。

2. 理化特性

  纤维网络内部存在空隙，这些空隙是液体渗透的主要通道，同时会减小纤维间的有效结合面积，进而对餐具的阻隔性能和机械强度产生不利影响。借助机械精磨时细小纤维填充间隙、热压时软化木质素重分布及“木质素焊接”，L-PMUs形成更光滑致密的表面结构，且细小纤维比例与体积密度正相关、与拉伸强度呈类高斯函数关系。通过XPS分析发现，热压中木质素的芳香族醚键发生热降解，同时形成新的 C-C 交联键，增强纤维附着力与网络稳定性。基于热软化后的木质素与 PHB 之间界面相容性的提升，LP-PMUs微观结构显著优化，平均孔径、孔隙率降低，体积密度提升，从而获得更优异的阻隔性能、结构稳定性和耐久性。

图2. 纸浆模塑餐具微观结构分析

3. 耐油性与湿态力学稳定性

  图3显示，LP-PMUs在接触不同渗透能力的油性液体时，展现出最高的防油等级（12级）。将99℃大豆油滴加于餐具表面并保持10分钟，结果显示LP-PMUs表面未受影响，无可见油脂渗透。经过纤维致密化处理和软化木质素驱动纤维焊接后，LP-PMUs的疏水性显著提升，饱和吸水率与尺寸溶胀率均明显降低。这些性能优化转化为更优异的湿态力学耐久性：在50g持续水下载荷作用下，LP-PMUs薄片可保持结构完整性超过6小时；即便载荷提升，LP-PMUs仍保持显著优势。上述结果凸显了界面工程在调控纸浆模塑餐具力学性能中的关键作用，也表明LP-PMUs有望成为下一代可持续包装材料的有力候选，尤其适用于潮湿、含油及高温等严苛应用场景。

图3. 纸浆模塑餐具耐油性和水稳定性

4. 冻融稳定性

  良好的耐冻融性有利于PMUs在极端环境中的保持结构完整性，长期冻融实验结果显示LP-PMUs相对于 LF-PMUs具备更优异抗冻融性。在进一步的延长循环测试中，商用PMUs出现明显变形和裂纹扩展，餐具底部完全破裂；而 LP-PMUs冻融循环中未出现微裂纹、翘曲或分层等任何损坏迹象。随后的力学测试中，无论在常温还是冻融循环条件下，LP-PMUs都展现了优异的结构稳定性。这说明致密化的纤维网络与增强的纤维间结合力，不仅减少了水分侵入，还能抑制结构开裂，并在反复冷热循环下维持载荷承受能力。这种优异性能极大地拓展了 LP-PMUs 的应用潜力，使其可适用于冷链包装、冷藏储存等传统纸浆模塑餐具难以胜任的严苛场景。

图4. 纸浆模塑餐具的耐冻融性

5. 环境可持续性：生物降解性与生命周期碳足迹

  PMUs的环境可持续性将有利于其在一次性餐具竞争中占据优势。在自然土壤掩埋条件下LP-PMUs 具备优异的生物降解性，SEM分析揭示了LP-PMUs 的环境相容性，证实木质素 - PHB 阻隔层的引入并未阻碍其自然降解。通过生命周期碳排放评估结果显示，作为富含碳元素的生物质衍生产品，LP-PMUs固碳量不仅能抵消生产过程中的碳排放，甚至实现了碳的净封存，使 LP-PMUs 成为一种 “碳汇型” 材料。此外，LP-PMUs 还具备出色的化学稳定性，完全满足与酸性、碱性物质接触的食品包装材料安全要求。生物基组分的全面应用、低能耗的制造工艺及可堆肥的生命周期末端特性，共同凸显了 LP-PMUs 作为循环型低碳材料的潜力，有望替代传统塑料与纸质餐具，为推动循环经济发展提供有力支撑。

图5. 纸浆模塑餐具的环境可持续性

  研究团队基于热压诱导木质素“焊接”并与PHB界面共熔构建的致密交联纤维网络，显著提升了纸浆模塑餐具的结构稳定性和环境适应性。该方法整合纤维致密化、木质素自交联及PHB可降解涂层，协同改善了湿敏性和阻隔性能，使所得产品在冻融稳定性、耐湿性和耐热油性方面均显著改善。依托全生物基原料与低能耗工艺，LP-PMUs实现了生物降解和“碳汇”潜力，展现出优异的环境相容性，为替代石油基塑料、推动绿色制造和循环经济提供了可行路径。

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168187