传统石油基塑料难以降解、回收效率低，造成了严重的环境污染和资源浪费。本研究基于可再生纤维素，通过离子络合诱导分子组装和聚丙烯酰胺（PAAm）调控超分子构象，成功制备了一种新型纤维素工程塑料（CEP）。该材料密度仅0.73 g/cm³，却具有优异的力学性能：拉伸强度达105.7 MPa，弯曲强度106.6 MPa，冲击强度77.5 kJ/m²，玻璃化转变温度超过154°C，可在-25°C至100°C范围内稳定使用。CEP可通过注塑、模压等传统工艺成型，使用后可经水浸泡恢复水凝胶状态并重新加工，在自然土壤中64天内完全生物降解。生命周期评估显示，CEP的碳足迹和资源消耗低于聚丙烯（PP）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）和聚乳酸（PLA）等常见塑料。该研究为开发高性能、可持续的生物基工程塑料提供了新路径。
一、研究背景与意义
传统塑料（如PP、ABS等）虽然性能优异，但存在以下问题：
不可再生：依赖石油资源；
难降解：造成严重环境污染；
回收效率低：机械回收降低性能，化学回收能耗高。
因此，研究者转向可再生的生物质资源，其中纤维素因其丰富、可降解、机械性能良好而成为理想候选。
二、CEP的制备与结构设计
制备流程：
溶解与功能化：将纤维素溶解在深共晶溶剂（DES，ZnCl₂/FA/H₂O）中，并在C₆位引入甲酰基（CHO），得到Cel-CHO；
离子交联：加入Ca²⁺，诱导分子组装，形成Cel-CHO-Ca²⁺水凝胶；
聚丙烯酰胺（PAAm）原位聚合：在水凝胶中引入PAAm，形成互穿网络；
乙醇诱导固化：用乙醇处理，去除水分，促进氢键重组，形成致密的CEP。
结构特点：
高密度氢键网络：Cel-CHO与PAAm之间形成大量氢键；
有序纳米结构：SAXS/WAXS显示CEP具有周期性致密结构；
低密度：仅0.73 g/cm³，比传统塑料轻。
FIGURE 1 | 面向工程应用的高性能CEP的制备。(a) 通过分子工程方法将木片中提取的纤维素与PAAm结合制备CEP的示意图。(b) 所开发的CEP的数字图像，展示了其轻质、高力学性能和成型性（如“蜂窝”结构）。(c) CEP与市售塑料（如PP、ABS、PLA）关键性能对比的雷达图。
三、主要性能表现
1. 力学性能
性能 | CEP | 对比材料（PP/ABS/PLA等） |
|---|---|---|
拉伸强度 | 105.7 MPa | 优于多数商业塑料 |
弹性模量 | 2.0 GPa | 明显更高 |
弯曲强度 | 106.6 MPa | 优异 |
弯曲模量 | 3.4 GPa | 优秀 |
冲击强度 | 77.5 kJ/m² | 远超传统纤维素材料 |
纳米硬度 | 0.56 GPa | 优于PP、PLA等 |
比强度高：单位密度的拉伸强度达144.8 MPa·g⁻¹·cm³，说明轻质高强。
FIGURE 2 | CEP的形成机制与微观结构表征。(a) CEP制备过程中超分子构型转变的流程图。(b) 显示Cel-CHO分子结构的2D-HSQC NMR谱图。(c) MD模拟显示Cel-CHO和PAAm分子在Cel-CHO-Ca²⁺/PAAm水凝胶和CEP中的总回转半径。(d) 基于MD模拟的氢键定量分析。(e) CEP和经不同浓度乙醇刺激的Cel-CHO-Ca²⁺/PAAm水凝胶的1D SAXS曲线（100 wt%为无水乙醇）。(f) Cel-CHO-Ca²⁺/PAAm水凝胶与乙醇处理后的CEP的2D WAXS图谱对比。
2. 热稳定性
玻璃化转变温度 T_g > 154°C，可在-25°C到100°C范围内使用；
低热膨胀系数：21.9 × 10⁻⁶ K⁻¹，尺寸稳定性好。
3. 耐溶剂性与耐湿性
对有机溶剂、湿度变化有良好抵抗性；
经石蜡涂层处理后，可在高湿环境中稳定使用。
4. 可回收性与可再加工性
将CEP泡水后可恢复为水凝胶状态，可重新成型；
支持注塑、模压、挤出等传统加工方式。
5. 生物降解性
在自然土壤中64天内完全降解；
对比ABS、PC、PBAT/PLA等材料，CEP表现出明显的生物降解优势。
FIGURE 5 | CEP用于多种产品的加工性与成型性。(a) 用于制造方形垫圈、齿轮和螺母的CEP浇铸工艺示意图。(b) 模压成型制备各种三维CEP形状的示意图。(c) 在线制备的CEP结构产品展示，包括波纹板和汽车内饰板。(d) 数字图像展示CEP的可回收性和可塑性：扭曲形(i)、卷曲形(ii)和波浪形(iii)。
四、环境与经济评估
生命周期评估：CEP的碳足迹和资源消耗低于PP、ABS、PLA；
成本略高，但综合考虑性能、环保性、可回收性，具有市场竞争力；
DES可回收利用，ZnCl₂等溶剂可循环使用，减少废弃物。
五、应用前景
CEP可用于：
建筑板材（如蜂窝结构板）；
汽车内饰件；
包装材料；
日用消费品（如齿轮、垫圈、螺母等）。