近年来，塑料制品已成为人类日常生活中不可或缺的一部分。然而，这些便利却以环境为代价。传统塑料主要源于石油，不仅在生产中消耗大量化石燃料，其难以降解的特性还导致全球性的“白色污染”。据统计，数以亿吨计的废弃塑料正堆积如山，对生态系统造成不可逆转的影响——从海洋生物误食塑料颗粒，到微塑料颗粒进入人体。
更令人担忧的是，即使是现有的塑料回收技术，也因能耗高、成本昂贵及性能劣化问题而难以大规模推广。解决塑料污染的根本之道，亟需一种兼具高性能、可回收和完全降解的新型材料。
在这一背景下，华南理工大学陈克复院士团队带来了振奋人心的突破。他们开发了一种名为 DACNF-ESO 的生物基塑料。这种新型材料以植物纤维素纳米纤维和环氧大豆油为基础，通过创新性的动态交联网络设计，实现了前所未有的强度、耐用性和环保特性。
图|动态交联纤维素纳米纤维和环氧大豆油，制成坚韧、可回收、可降解的生物塑料（来源：上述论文）
图|动态交联纤维素纳米纤维和环氧大豆油，制成坚韧、可回收、可降解的生物塑料（来源：上述论文）
“钢筋混凝土”的结构灵感为这项技术的关键。纤维素纳米纤维构成坚固的“骨架”，而环氧大豆油与硼氧化物的交联则提供了灵活的动态结合。这种独特的设计，使 DACNF-ESO 既能承受高强度拉伸，又能在温度或湿度变化中保持稳定。这项成果近日发表在杂志 ACS Sustainable Chemistry & Engineering 上，题为“Dynamically Crosslinking Cellulose Nanofibers and Epoxy Soybean Oil toward Tough, Recyclable, and Degradable Bioplastics”。
DACNF-ESO 生物基塑料的制作过程融合了现代材料科学的巧思和绿色化学的精髓。从漂白软木纸浆中提取纤维素，通过机械研磨技术将其加工成尺寸仅为纳米级的纤维悬浮液。这些纤维素纳米纤维（CNF）随后经历了一系列精细化的化学改性。通过亚碘酸钠氧化，纤维素分子链上的特定位置被转化为醛基，从而形成动态醛基纤维素（DACNF），醛基与 3-氨基苯硼酸中的氨基发生 Schiff 碱反应，将 3-氨基苯硼酸接枝到纤维素纳米纤维上，形成 DACNF-B，赋予其动态交联的能力。
与此同时，环氧大豆油（ESO）也经历了相应的化学处理。通过环氧基开环反应，ESO 与 3-氨基苯硼酸结合，生成改性的环氧大豆油（ESO-B），这一过程不仅增强了材料的动态交联能力，也确保了其绿色环保的属性。当 DACNF-B 和 ESO-B 以特定比例混合后，纤维素纤维的刚性网络与硼氧化物的动态交联结合在一起，形成类似“钢筋混凝土”的三维结构。通过将这种混合物置于模具中并在 85℃ 的环境下热压处理，最终制成兼具高强度和灵活性的 DACNF-ESO 塑料。
DACNF-ESO 的拉伸强度高达 41 MPa，比普通聚乙烯塑料（PE）更为出色，同时还能保持一定的柔韧性。无论是在 150℃ 的高温环境下，还是长达 7 天的水浸测试后，这种材料的机械性能依然优于 PE。并且材料中的硼氧化物交联可以随温度的变化动态调整。这一特性赋予了其非凡的焊接能力，使得视觉的塑料制品可以通过热压轻松轻松实现修复。另外，该材料还能进行多次循环恢复，其恢复后的性能几乎与原材料无异。
DACNF-ESO 不仅可以恢复，更可以在自然环境中完全降解。测试表明，这种塑料在土壤中埋藏约 80 天后，可以完全降解，且不会释放任何有害物质。这种降解过程的奥秘坐落其动态交联结构。埋入土壤后，会逐渐分解其内部的纤维素和环氧大豆油交联物，使 DACNF-ESO 成为全球塑料污染治理的新希望。相比之下，传统塑料可能需要数百年才能降解，甚至在降解过程中会释放有毒物质，进一步污染。而 DACNF-ESO 的完全降解性不仅解决了“白色污染”问题，更为未来的绿色发展提供了重要参考。
图|随着埋藏时间的增加，DACNF-ESO 塑料的质量变化（来源：上述论文）
DACNF-ESO 塑料在生物相容性测试中表现出了卓越的安全性与安全性，为在医疗、食品包装、化妆品和柔性电子基板等领域的应用奠定了基础。在体外测试中，研究团队选择了 HepG2 原型细胞进行培养实验，将 DACNF-ESO 塑料的提取液加入到培养基中，经过 2 天和 7 天的培养后，用活/死细胞染色法检测细胞活性。绿色荧光信号显示细胞状态健康。体内实验中，植入小鼠体内的 DACNF-ESO 塑料未引起不良反应，血液生化参数和组织学检查均正常。此外，DACNF-ESO 塑料具有热封能力和可回收性，可作为传统塑料的替代品，应用于可持续包装和柔性可穿戴电子产品，且这些产品可实现闭环回收。这种生物相容性保证了 DACNF-ESO 可以用于直接接触人体或动物组织的应用场景，例如医用入口物、食品包装以及高安全性要求的消费品。
图|通过体外和体内测试评估了 DACNF-ESO 塑料的非毒性特性（来源：上述论文）
图|通过体外和体内测试评估了 DACNF-ESO 塑料的非毒性特性（来源：上述论文）
陈克复院士团队的新研究不仅为塑料产业带来了创新性变革，也为全球可持续发展提供了技术支撑。DACNF-ESO 让我们看到了科技如何通过创新引领环保，助力人类摆脱“白色污染”。
未来，这种材料的广泛应用或将成为绿色经济发展的新起点。让我们共同期待，科技为人类与自然和谐共存出更加美好的蓝图！
1.Shan, Shijie; Mai, Dongdong; Lin, Yaling; Zhang, Anqiang (1753). Self-Healing, Reprocessable, and Degradable Bio-Based Epoxy Elastomer Bearing Aromatic Disulfide Bonds and Its Application in Strain Sensors. ACS Publications. Collection. https://doi.org/10.1021/acsapm.1c00865
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