热刺激超分子介导构建可编程纤维素生物塑料：实现可降解性、热稳定性与力学性能的平衡

《Research》：Biodegradable, Thermally Stable, and Programmable Cellulosic Bioplastics Enabled by Supramolecular Stimulated Mediation

本研究针对生物塑料难以兼顾力学性能、热稳定性和可塑性的难题，报道了一种通过聚乙二醇(PEG)介导纤维素和聚乙烯醇(PVA)自组装的新型热刺激超分子生物塑料(Cel-T塑料)。该材料展现出3.23 GPa的弹性模量和>8.15 kJ·m?1的冲击韧性，在-40~135°C保持结构稳定性，支持注塑等加工方式，55天内可土壤降解，为绿色材料设计提供了新策略。

　　

随着塑料污染问题日益严峻，寻找石油基塑料的可持续替代品已成为全球共识。生物塑料虽然环境友好，但往往难以兼顾机械强度、热稳定性和加工性能——例如常见的聚乳酸(PLA)在高温下容易软化变形，而纤维素基材料又存在脆性大、成型难等瓶颈。如何设计出既能满足实际应用需求，又可自然降解的新型材料，是绿色材料领域面临的重大挑战。

近日发表于《Research》的一项研究突破性地提出了一种热刺激超分子生物塑料(Cel-T塑料)。研究人员创新性地采用聚乙二醇(PEG)作为分子"调解剂"，通过精确调控纤维素和聚乙烯醇(PVA)的超分子自组装过程，成功制备出综合性能优异的可再生材料。这种设计策略使材料内部形成致密的氢键网络，从而实现了力学性能与环境友好性的完美平衡。

研究团队主要运用了分子动力学(MD)模拟预测分子构象演变，通过固态核磁共振(¹H NMR)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征分子间相互作用，结合X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)分析微观结构，并采用万能试验机系统评估力学性能。所有实验均使用从杨木粉提取的纤维素(聚合度约1500)作为原料。

制备与成型方面，研究通过离子液体[Bmim]Cl溶解纤维素和PVA形成均相体系，经PEG溶液浸渍后，在80°C热处理6小时诱导超分子重排。这种工艺可实现大规模生产，且离子液体回收率达85%。

微观结构演变的研究显示，热刺激使PEG分子链扩展并均匀分布，促进PVA分子重结晶。固态核磁的-OH峰从3.678 ppm移至3.629 ppm，FTIR中O-H伸缩振动蓝移76 cm^-1，证实氢键增强。二维拉曼成像显示颜色分布均匀，SAXS/WAXS分析表明材料形成更致密的超分子网络。

力学性能测试数据令人振奋：Cel-T塑料拉伸强度达63.86±8.07 MPa，弹性模量3.3±0.7 GPa，分别是预处理体系的24倍和15倍。其弯曲强度108.6 MPa和模量4.9 GPa优于ABS、PLA等商用塑料。冲击测试中，256g钢球从3米高度坠落仍未能破坏样品，冲击韧性达8.15±0.55 kJ·m^-1。

热稳定性研究通过动态力学分析(DMA)证实材料在-40~135°C范围内存储模量平稳。经历-40°C/24h冷冻后拉伸强度保持55 MPa，135°C/24h老化后仍达40 MPa，热膨胀系数仅28.22 ppm·°C^-1，显著优于对比材料。

环境相容性评估显示，Cel-T塑料在55天内完全土壤生物降解，而传统塑料几乎无变化。细胞毒性试验中NHDF细胞存活率>98.5%，Confocal活死染色显示良好生物相容性。经测算生产成本约3066美元/吨，具备市场化潜力。

该研究通过超分子工程策略成功解决了生物塑料的多性能平衡难题。Cel-T塑料兼具高强度、宽温域稳定性和可编程加工性，其闭环回收工艺和快速降解特性为塑料污染治理提供了创新方案。这种基于可再生资源的材料设计范式，对推动汽车、智能建筑、医疗等领域的可持续发展具有重要意义。