塑料因其质量轻、易加工、成本低等优势，被广泛应用于包装、家居、交通及建筑等诸多领域，是现代社会中不可或缺的一类材料。然而，传统塑料在阻燃性、耐磨性和环境可持续性等方面仍面临明显挑战。因此，开发兼具高性能与可循环利用的塑料替代材料，已成为缓解塑料污染、推动绿色制造的重要方向之一。当前，生物质基塑料替代品研究多集中于薄膜、气凝胶等轻质材料；若进一步走向块体结构材料，往往又面临加工复杂等挑战。相比之下，天然矿物储量丰富，具备天然的机械强度和阻燃优势，是构筑高性能替代材料的理想候选。但传统矿物材料通常依赖上千摄氏度的高温烧结，制造能耗高、成型自由度有限，难以满足绿色低碳和灵活加工的现实需求。
近日，武汉大学陈朝吉教授团队围绕这一问题提出了一种基于非溶剂诱导相分离（NIPS）的材料设计策略，构建出一种兼具高矿物含量与水辅助加工能力的复合材料——矿物水塑料（Mineral Hydroplastic, M-Hydroplastic）。以天然矿物为主体，结合聚丙烯酰胺（PAM）和纤维素纳米纤维（CNF）构筑含水凝胶体系，并通过乙醇诱导聚合物链重排和后续压制致密化，实现材料内部结构在分子尺度、纳米/微米尺度及宏观尺度上的协同优化，突破了传统矿物材料高度依赖高温制造的路径，也为塑料替代材料的发展提供了新思路。
2026年4月13日，相关论文以“Wear-resistant, moldable mineral hydroplastics via nonsolvent induced phase separation for adaptive architectural applications”为题，发表在The Innovation上。本文第一作者为课题组2022级博士研究生陈俊青，通讯作者为陈朝吉教授。
研究团队采用天然云母等矿物、聚丙烯酰胺（PAM）和纤维素纳米纤维（CNF）构筑含水凝胶体系，并进一步结合乙醇诱导的聚合物链重排与后续压制过程，实现材料内部结构的快速致密化和矿物片层的有序取向，最终获得兼具优异刚性与良好塑性成型能力的块体材料。这一过程的关键并不只是“将矿物粉末压制成型”，而是在相分离与致密化过程中实现了材料内部多尺度结构的协同构筑。分子尺度上，各组分之间形成强健的氢键网络，增强了体系的整体结合；纳米和微米尺度上，纤维素纳米纤维如同“胶水”，有效桥接矿物薄片；宏观尺度上，材料则进一步形成类似天然珍珠母的“砖—泥”层状结构，从而赋予体系优异的力学性能与结构稳定性。更具特色的是，这种材料能够随着含水状态变化，在“软胶态—橡胶态—硬固态”之间实现可逆切换。在适宜的中间水合状态下，材料具有较好的可变形能力，能够像塑料一样被弯折和塑形成复杂形状；随着进一步脱溶和结构致密化，材料转变为坚硬稳定的块体结构。不同于传统依赖加热软化、冷却定型的热塑性材料，该材料通过溶剂环境调控内部结构，建立了独特而温和的成型窗口，不仅可以实现多样化塑形成型，还能够被加工成餐具、汽车部件样式乃至蜂窝结构等复杂形貌，展现出优异的加工适配性和应用拓展潜力。
图1. M-Hydroplastic的制备、可成型性、加工性和普适性。
图2. M-Hydroplastic的结构演变及NIPS机制。
研究表明，随着乙醇进入体系，原有含水凝胶中的聚合物链发生重排，各组分之间的相互作用被进一步强化，促使内部结构迅速由疏松转变为致密。该过程伴随着组分间氢键作用、界面作用和多尺度结构重构的协同演化，使材料在温和条件下实现了由软凝胶向高强度块体材料的转变，也为其优异的力学性能和可塑成型能力奠定了结构基础。
图3. M-Hydroplastic的力学性能。
力学性能测试显示，该矿物水塑料的矿物含量最高可达75 wt%，同时仍保持良好的可加工性。其弯曲强度达到90.6 MPa，硬度达到0.23 GPa，密度约1.5 g/cm3，在兼顾轻量化的同时表现出优异的力学性能。综合硬度与模量后，它的耐磨指标在多种常见材料对比中表现尤为突出，说明其在长期服役场景中更具潜力。
图4. M-Hydroplastic的阻燃性能。
在阻燃方面，矿物水塑料在1300 °C丁烷火焰下能够快速形成保护性炭层，移开火源后迅速自熄；相比之下，对照材料会出现更明显的燃烧和形变。标准测试中，该材料的极限氧指数（LOI）达到37.6%，较PAM提高48.6%，并在UL-94测试中获得V-0等级。锥形量热结果还表明，其峰值热释放速率显著下降，烟释放也明显减少。这主要归因于矿物本身构成了隔热屏障以及在燃烧过程中形成的炭层与矿物共同组成保护层，抑制热量、氧气和可燃挥发物的传递。
图5. NIPS诱导多尺度增强策略的普适性。
研究进一步表明，该构筑策略并不局限于单一矿物体系，而是展现出突出的普适性。多种常见天然层状矿物均可通过这一方法实现稳定构筑，并获得兼具良好刚性与加工适配性的块体材料。进一步结合理论计算与性能测试可知，不同矿物组分都能够与有机组分形成有效协同，从而支撑材料在力学强度、模量和表面硬度等方面取得优异表现。
图6. M-Hydroplastic在节能建筑中的应用演示。
矿物水塑料不仅能做耐磨、阻燃的结构层，还可以通过改变矿物种类和结构设计，获得可调的光学、热学与辐射冷却性能。例如，当体系中使用方解石时，所得材料在太阳光谱范围内反射率可超过90%，并在中红外大气窗口中具有良好发射能力，这正是被动日间辐射冷却所需要的关键特征。在室外测试中，这种材料下方测得的温度平均比环境温度低2.6°C。进一步的全球模拟表明，在赤道和亚热带高太阳辐射区域，年节能可达35 MJ/m2；相应的碳减排潜力可达25 tCO?/年，高温高湿地区的节能和降碳效果尤其明显。此外，该矿物水塑料的气候变化影响约为4.82 kg CO?-eq/kg，优于不少常用结构材料，如PMMA、PC、玻纤增强塑料和铝等，显示出一定的减碳潜力。
文章信息：Wear-resistant, moldable mineral hydroplastics via nonsolvent induced phase separation for adaptive architectural applications, The Innovation, 2026, DOI: 10.1016/j.xinn.2026.101398
文章链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(26)00145-1
【作者简介】
陈朝吉，武汉大学资源与环境科学学院教授、博士生导师。2015年博士毕业于华中科技大学，2015-2021年分别于华中科技大学与马里兰大学帕克分校从事博士后研究，并于2021年5月入职武汉大学资环学院组建X-Biomass课题组。从事生物质材料（木材、竹材、纤维素、甲壳素等）的多尺度结构设计、功能化及高值利用方面的研究，致力于以天然材料解决可持续发展面临的材料-能源-环境挑战。以第一/通讯作者（含同等贡献）在Nature/Science (3篇)及其子刊 (18篇)等国内外著名学术期刊上发表SCI论文100余篇，总引用43,000余次，H因子110。获科睿唯安“全球高被引科学家”（2021-2025连续五年入选材料科学领域）、麻省理工科技评论亚太区“35岁以下科技创新35人”、“ACS KINGFA Young Investigator Award”、“中国化学会纤维素专业委员会青年学者奖”、“国际材料联合会前沿材料青年科学家奖”、“Advanced Science青年科学家创新奖”、阿里巴巴达摩院“青橙优秀入围奖”、“中国新锐科技人物卓越影响奖”、“R&D 100 Awards”等荣誉。担任The Innovation Materials学术编辑，The Innovation、National Science Review、Science Bulletin、Research、SusMat、npj Soft Matter、Green Carbon、Molecules等杂志编委/青年编委，以及中国化学会纤维素专业委员会委员。
课题组网站：https://biomass.whu.edu.cn/index.htm
