中科大 俞书宏AM：基于可食用马尾藻纤维素的高性能餐具用结构材料

目前，全球塑料产量已超过3.68亿吨，其中一次性使用的塑料制品约占40%。这些塑料制品，尤其是一次性包装和一次性餐具等材料，面临着总消耗量大、浪费严重及回收困难等问题。同时，广泛使用的一次性塑料餐具在使用后通常被埋入或直接丢弃到自然环境中，有大量的研究表明塑料在日常使用和降解过程中都会释放出微塑料，这将进一步对环境和人体健康构成潜在威胁。因此，为解决这一问题，开发具有优异的力学强度和耐热性能、不释放微塑料的高性能结构材料迫在眉睫。

近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队报告了一种由食品级安全的马尾藻纤维素纳米纤维（SCNF）制成的具有优异力学性能和热学性能的一次性可生物降解餐具。首先，作者在温和的反应条件下，以高效、低能耗的方法从马尾藻工业废弃物中提取出一种食品安全的SCNF。随后，通过自下而上的方法将SCNF组装成致密的块体材料，并将其制备成高强度（283 MPa）和热稳定性优异（>160°C）的马尾藻纤维素纳米纤维结构材料（SCNSM）。同时，SCNSM具有良好的可加工性能，可以将其加工成不同形状的餐具，如刀和叉等。基于SCNSM的餐具整体性能优于商用塑料餐具、木基餐具和聚乳酸基餐具，在餐具领域显示出巨大的应用潜力。论文第一作者为博士研究生李德涵、韩子盟和硕士研究生何谦，通讯作者为管庆方副研究员和俞书宏院士。

图1 马尾藻纤维素基结构材料（SCNSM）的制备。（a）马尾藻纳米纤维素（SCNF）；（b）SCNF表面的-COOH与Ca2+交联形成水凝胶；（c）通过自上而下的方法将SCNF水凝胶制备成SCNSM;（d）SCNSM可加工成形状多样的刀叉等餐具。

首先，研究人员在温和的反应条件下，发展了高效、低能耗的方法从马尾藻工业废弃物中提取出一种食品安全的SCNF（图1a）。然后，经Ca2+交联后形成SCNF水凝胶（图1b），通过自上而下的方法将SCNF水凝胶制备成高强度和高热稳定性的马尾藻纤维素基结构材料（SCNSM）（图1c）。该结构材料具有良好的可加工性能，可将其加工成不同形状的餐具用刀叉等（图1d）。

图2 SCNF剥离过程的解析与微观表征。（a-d）SCNF剥离过程SEM表征；（e-h）SCNF的微观形貌和大小表征；（i-l）SCNF三个剥离阶段i）XRD，j）FT-IR和k，l）XPS表征；（m，n）SCNF三个剥离阶段多糖分析。

随后，对SCNF的剥离过程进行了系统的表征（图2）。通过这种高效、低能耗的方法所得到的SCNF形态均一、结晶度高（92%），直径约为20nm~40nm（图2e-i）。通过FT-IR和XPS等手段展示了三个不同剥离阶段产物成分的变化（图2k，j）。为了确定不同阶段产物中多糖的分子结构以及确定SCNF中羧基的来源，采用离子色谱法对单糖进行分析，实验结果表明最终得到的产物SCNF中有一定量含羧基的糖醛酸（UA），它们为SCNF表面提供了-COOH，为水凝胶的交联和结构材料的成型提供了有利条件（图2m,n）。

图3 SCNSM机械性能和热性能的相关表征。（a，b）SCNSM餐具数码照片；（c，d）结构材表面及界面SEM；（e-j）SCNSM机械性能和热性能的相关表征。

从宏观上看，SCNSM是由SCNF组成的一个光滑且坚实的块状结构（图3a）。在密集的SCNF网络中，纳米纤维之间强烈的氢键相互作用赋予了结构材料优异的机械性能和热学性能（图3c，d）。与大多数商用的塑料相比，该结构材料具有高硬度的同时，还可以通过破坏和重组可逆的纳米纤维间氢键相互作用网络来耗散能量，成功地实现了强度、模量、韧性和热稳定性的平衡（图3e-j）。此外，该结构材料还具有良好的可加工性能，可以将其加工成不同形状的餐具用刀叉等（图3b）。

图4 SCNSM的疏水修饰及表征。（a-c）PLA处理前后SCNSM疏水实验；（d，e）PLA处理前后SCNSM溶胀实验；（f）SCNSM中重金属含量检测。

考虑到餐具在实际应用中面临潮湿和细菌滋生等问题，作者通过聚乳酸淋膜和姜黄素修饰来改善SCNSM餐具的疏水性能和抗菌性能。如图4c和e所示，PLA处理后的SCNSM餐具在水，油和乙醇中的溶胀性均大幅降低（图4e）。在抑菌实验中，作者首先将其SCNSM餐具进行一定时间的溶胀，以便餐具表面暴露出微纳米孔洞（图5a-c），合适大小的孔洞为姜黄素等抗菌物质提供了有利的附着位置，实验结果表明姜黄素处理后的SCNSM餐具展现出优异的抗菌效果。基于该结构材料的餐具整体性能优于目前商用塑料、木基和聚乳酸基餐具，在该领域显示出巨大的应用潜力。

图5 SCNSM抗菌修饰及表征。（a）水分子插层过程示意图；（b-h）不同溶胀时间的结构材料SEM表征；（i-l）不同溶胀时间结构材料掠入射小角散射（GISAXS）表征；（m-o）抑菌试验。

上述研究工作得到了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、中国高校协同创新计划、安徽省科技重大专项、中央高校基本科研业务费专项资金和安徽省重点研发计划项目等支持。

论文信息：

Ultrastrong, Thermally Stable, and Food-Safe Seaweed-Based Structural Material for TablewareDe-Han Li^†, Zi-Meng Han^†, Qian He^†, Kun-Peng Yang, Wen-Bin Sun, Hao-Cheng Liu, Yu-Xiang Zhao, Zhao-Xiang Liu, Chen-Na-Yan Zong, Huai-Bin Yang, Qing-Fang Guan*, Shu-Hong Yu*Advanced MaterialsDOI: 10.1002/adma.202208098点击左下角「阅读原文」，查看该论文原文。

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