随着石油基塑料的广泛使用，全球正面临资源消耗与环境污染的双重危机，开发可持续替代材料迫在眉睫。作为地球上储量最丰富的天然高分子，纤维素因其可再生、可降解特性，被视为理想的可持续替代材料。然而，其固有的强亲水性与力学强度不足，限制了在实际应用中的推广。现有改性方法虽可改善性能，但往往伴随高能耗和二次污染，形成“性能提升与绿色制备难以兼得”的技术瓶颈。因此，开发一种能够同步增强纤维素材料耐水性与机械强度，且制备过程简单、环境友好的技术策略，是实现石油基塑料替代所必须解决的核心挑战。

近日，国际顶级学术期刊《美国科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS)在线发表了武汉大学资源与环境科学学院邓红兵教授、赵泽副教授团队在可持续生物质材料领域的最新研究成果。团队利用废弃生物质资源，开发出一种兼具高强度与防水性的可降解生物复合材料，其性能可与传统石油基塑料相媲美，为“以废治塑”的绿色发展理念提供了全新的技术路径。这是该团队继在 Science Advances 发表相关成果后，在可降解塑料领域取得的又一重要突破。

Fig.1 FP-CS生物复合材料的制备流程与性能综合对比

从全生命周期视角呈现材料研发逻辑：制备环节通过流程示意图明确纸浆纤维、花粉微凝胶颗粒与壳聚糖的协同组装路径，实物图验证 200cm×50cm 大面积成型可行性，证明技术规模化潜力;性能验证环节，水滴扩散实验直观对比纯纸浆纸、FP 复合材料与 FP-CS 复合材料的表面亲疏水性差异，揭示壳聚糖对耐水性的关键提升作用;雷达图从原料丰度、降解性等 6 项核心指标，量化材料相较商用纸张、PET 及 PLA 塑料的综合优势，为其替代传统材料提供数据支撑，形成 “制备 - 性能 - 应用潜力” 的完整证据链。

(A) 纸浆纤维、花粉微凝胶颗粒与壳聚糖增强剂的多尺度网络组装、重排制备过程及闭环应用示意图，体现材料的高强、耐水及无缝密封特性。(B) 纸浆纤维与花粉微凝胶颗粒混合形成浆料的实物图。(C) 纤维/花粉浆料流延并风干制备FP生物复合材料的过程。(D) 大面积(200cm×50cm×0.01cm)FP-CS生物复合材料的实物图，展示其柔韧性和规模化加工潜力。(E) 水滴在纯纸浆纸、FP生物复合材料和FP-CS生物复合材料表面的扩散润湿行为。(F) FP-CS生物复合材料与商用纸张、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料、聚乳酸(PLA)塑料的性能对比雷达图(指标包括原料丰度、降解性、强度、耐水性、热稳定性、可持续性)。

Fig.2 FP-CS生物复合材料的多尺度网络结构演变与力学性能

聚焦材料微观结构与宏观性能的关联：通过光学、扫描电镜及激光共聚焦成像，捕捉花粉微凝胶颗粒从水中凝胶态到干燥后扁平层状的形态转变，阐明其填充纤维间隙的结构基础;zeta 电位测试证实 FP 复合材料(-9.77±0.48mV)与壳聚糖(+60.5±3.3mV)的电荷差异，为静电相互作用提供直接证据;红外光谱中 1650cm⁻¹ 处酰胺 I 峰、3328cm⁻¹ 处羟基峰红移，分别验证壳聚糖引入及氢键增强;力学测试通过力 - 位移、应力 - 应变曲线及纳米压痕数据，量化 FP-CS 复合材料强度(80.32MPa)与模量(2.52GPa)的提升，最终通过横向对比其他生物复合材料，确立其在无高温高压处理条件下的力学性能优势。

(A) 花粉微凝胶颗粒的光学显微镜图像，插图为其宏观凝胶特性。(B) 干燥后花粉微凝胶颗粒的扫描电镜(SEM)图像。(C) 花粉微凝胶颗粒干燥前后的激光共聚焦显微镜图像及干燥过程示意图。(D) 纤维/花粉浆料的光学显微镜图像及实物图(插图)。(E) 稀释FP浆料干燥后的SEM图像及相互作用示意图。(F) 壳聚糖溶液与FP生物复合材料的zeta电位。(G) FP生物复合材料(I)和FP-CS生物复合材料(II)的表面SEM图像及对应的三维表面轮廓图。(H) FP生物复合材料(I)和FP-CS生物复合材料(II)的截面SEM图像。(I) 生物复合材料在壳聚糖溶液浸泡前后的面积和厚度变化。(J) 壳聚糖、FP生物复合材料和FP-CS生物复合材料的红外光谱(FTIR)。(K) FP-CS生物复合材料的柔韧性、可折叠性和透明性实物图。(L、M) FP生物复合材料和FP-CS生物复合材料的力-位移曲线(L)及应力-应变曲线(M)。(N) 本研究材料与其他已报道生物复合材料的力学性能对比。

Fig.3 FP-CS生物复合材料的耐水性能及增强机制

从宏观性能到微观结构层层拆解耐水机制：宏观层面，溶胀实验显示 FP-CS 复合材料浸泡 1 天的面积与厚度溶胀率仅 10.5%、114.9%，远低于 FP 复合材料的 96.3%、378.5%，接触角(99.0°±2.1°)及吸水率(~50%)数据进一步量化耐水性提升;微观层面，扫描电镜观察到 FP 复合材料浸泡后表面褶皱、截面孔隙暴露，而 FP-CS 复合材料干湿态结构一致性高，证明壳聚糖构建的网络可抑制水渗透;力学层面，湿态强度提升 16 倍及断裂表面从 “刷状纤维拔出” 到 “平整开裂” 的转变，验证材料在水环境下的结构完整性;最终通过机制示意图，整合氢键、静电作用与疏水缔合的协同效应，揭示耐水性提升的核心科学原理。

(A) FP生物复合材料和FP-CS生物复合材料在水中浸泡1天后的溶胀情况。(B、C) FP生物复合材料和FP-CS生物复合材料的接触角变化(B)及吸水率(C)随时间的变化。(D) 浸泡1天后FP生物复合材料和FP-CS生物复合材料的应力-应变曲线。(E、F) 浸泡后FP生物复合材料(E)和FP-CS生物复合材料(F)的断裂表面SEM图像。(G) FP生物复合材料浸泡7天后的破损实物图及其表面(H)和截面(I)SEM图像。(J) FP-CS生物复合材料浸泡7天后的完整实物图及其表面(K)和截面(L)SEM图像。(M) FP-CS生物复合材料耐水性增强机制示意图(涉及氢键、静电作用、疏水作用)。

Fig.4 基于壳聚糖粘接的FP-CS生物复合材料耐水密封性能及机制

围绕 “生物复合材料密封难题” 展开系统验证：性能验证环节，通过承重实验(干燥态 10000 倍自重、湿态 7 天 5000 倍自重)及 T - 剥离测试，证实 CS 粘接界面在干湿环境下的力学稳定性，且粘接后材料强度与未粘接状态相当，解决传统密封技术 “湿态失效” 痛点;机制解析环节，zeta 电位与 pH 依赖性测试显示，FP-CS 复合材料等电点约 5.5，在 CS 溶液(pH≈5)中羧基呈电中性，促进氢键形成，而 CS 在材料 pH(≈7)下胺基去质子化增强链间作用;共聚焦成像追踪刚果红标记的 CS 扩散路径，观察到其与复合材料形成缠结层，最终整合静电作用、氢键与拓扑缠结三大机制，阐明 CS 实现耐水密封的分子基础。

(A) 壳聚糖粘接FP-CS生物复合材料的实物图和SEM图像。(B) 粘接后的FP-CS生物复合材料在水中浸泡7天的实物图和SEM图像。(C、D) 粘接后的FP-CS生物复合材料在干燥(C)和湿润(D)状态下的应力-应变曲线。(E) 粘接后的FP-CS生物复合材料在干燥和湿润状态下的粘接强度。(F) 壳聚糖溶液与FP-CS生物复合材料的zeta电位。(G) 不同pH条件下FP-CS生物复合材料的表面zeta电位。(H) 共聚焦显微镜图像显示壳聚糖溶液扩散进入FP-CS生物复合材料并在干燥后形成缠结层。(I) 壳聚糖作为绿色粘结剂实现FP-CS生物复合材料耐水粘接的机制示意图。

Fig.5 高性能FP-CS生物复合材料吸管的性能表征

力学性能测试中，1000g 承重实验验证吸管抗纵向压力能力，三点弯曲强度(53±2MPa)达 FP 及纸质吸管的 2 倍，10 次循环压缩测试(滞后 32.91N)证明其抗形变恢复能力，穿刺土豆实验则体现实际使用中的结构完整性;耐水性能测试通过 6 小时浸泡实验，对比纸吸管与 FP 吸管的结构坍塌，结合红外热成像追踪水分渗透路径，证实 FP-CS 吸管的抗毛细吸水能力;极端条件测试中，250℃耐高温实验与 20-80℃水温适应性实验，分别验证材料热稳定性及对冷热饮品的适用性，500mL 水 3 分钟无泄漏吸液测试，最终完成从实验室性能到实际应用场景的闭环验证。

(A) 通过卷制和壳聚糖浸泡制备FP-CS生物复合材料吸管的流程。(B) FP-CS生物复合材料吸管可承受1000g重量的实物图。(C) 纸张、FP生物复合材料和FP-CS生物复合材料吸管的三点弯曲测试结果。(D) FP-CS生物复合材料吸管经过20次循环的三点弯曲测试结果。(E) FP-CS生物复合材料吸管经过10次循环横向压缩测试(模拟咬合动作)的结果。(F) FP-CS生物复合材料吸管可刺入土豆的实物图。(G、H) 纸张、FP生物复合材料和FP-CS生物复合材料吸管在水中浸泡0、3、6小时后的实物图(G)和红外热成像图(H)。(I) FP-CS生物复合材料吸管在2分钟内吸入500mL水的吸液测试。(J) FP-CS生物复合材料吸管在20-80℃水温范围内浸泡的状态，顶部气球随温度升高逐渐膨胀。

Fig.6 FP-CS生物复合材料的多场景耐水应用、回收利用及可持续性

应用场景层面，防水袋 7 天储水无泄漏、破损容器经 CS 补丁修复后恢复功能，证明材料在包装与修复领域的实用性;可持续性验证环节，回收实验通过破碎 - 重铸流程，展示材料闭环利用潜力，虽再生材料强度降至 31.89MPa，但为性能优化提供方向;土壤掩埋实验观察到 3 个月内材料出现褶皱与孔隙，降解速率随时间递增，证实生物降解性;生命周期评估从全球变暖、化石资源消耗等 8 项环境指标，量化 FP-CS 复合材料相较三聚氰胺纸、PET 覆膜纸及 PLA 的优势，尤其在降低微塑料污染与碳排放方面，为其在循环经济中的定位提供科学依据。

(A) 具有长期储水能力的纯FP-CS生物复合材料袋的制备流程。(B) 大型FP-CS生物复合材料袋可容纳2kg鱼和水的实物图。(C-E) FP-CS生物复合材料作为耐水补丁，结合壳聚糖绿色粘结剂修复破损FP-CS生物复合材料容器的过程。(F) 废弃FP-CS生物复合材料破碎后重铸的回收再利用流程。(G) FP生物复合材料、FP-CS生物复合材料和再生生物复合材料在土壤中的降解情况。(H) FP生物复合材料、FP-CS生物复合材料和再生生物复合材料的降解速率。(I) FP-CS生物复合材料与其他纸基复合材料(纤维素纸、三聚氰胺纸、PET覆膜纸)、传统塑料(PET)和生物降解塑料(PLA)的生命周期评估对比。