利用几丁质纳米纤维粘合剂，从天然生物质中制备出具有微纳结构的生物塑料

时间：2026年1月18日

来源：Carbohydrate Polymers

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利用再生甲壳素纳米纤维（ChNFs）作为粘合剂，与竹纤维或β-壳聚糖微片复合，通过干燥自组装形成高强度、可降解的生物塑料。ChNFs增强微尺度材料间的界面相互作用，使生物塑料拉伸强度达73.74±4.04MPa，具备优异水稳定性和可塑性，且可溶于弱酸性环境实现可逆粘接，为可持续替代石化塑料提供新方案。

郑一然|梁雨辉|冯旭欣|姜凯|段博

武汉科技大学化学与化学工程学院核磁共振与分子科学跨学科研究所，中国武汉430081

摘要

源自生物质的可再生材料是非生物降解性石化塑料的有希望的替代品。本文介绍了一种利用再生壳聚糖纳米纤维（ChNFs）作为微尺度生物质材料（竹微纤维或壳聚糖微片）的粘合剂来生产高性能生物塑料的方法。这些多尺度生物质纤维被加工成浆料，然后干燥以诱导自组装。ChNFs附着在微尺度材料上，并在其孔隙中形成均匀的纳米级缠结，增强了微尺度生物质材料之间的界面相互作用，使得基于竹子的生物塑料达到了73.74±4.04 MPa的拉伸强度。ChNFs还提高了水稳定性，在水中可保持8小时的稳定性，并增强了可塑性。此外，ChNFs在弱酸性环境中可作为粘合剂，通过溶解和再生将薄膜紧密粘合在一起。这种生物塑料由天然多糖基聚合物制成，易于回收和生物降解。通过结合微尺度和纳米尺度生物质材料，这种策略为生产强度高、可生物降解且可持续的生物质塑料提供了有前景的途径，作为石化塑料的可行替代品。

引言

由于塑料产品的经济性、耐用性和适应性，它们被广泛应用于各个行业（Geyer等人，2017年；Kan和Miller，2022年；Someya等人，2016年）。然而，它们基于化石的来源和难以降解的特性带来了严重的生态问题。作为回应，生物塑料在包装、农业和工业领域成为有前景的替代品（Rosenboom等人，2022年；Shao等人，2024年），因为它们具有良好的机械性能和出色的生物降解性。代表性的环保聚合物，如聚乳酸（PLA）（Guan等人，2024年；Li等人，2022年；Zhou等人，2021年）、聚羟基烷酸酯（PHA）（Acharjee等人，2024年；Adeleye等人，2020年；Chandra等人，2023年；Park等人，2024年）和聚丁酸乙二醇酯（PBS）（Inseemeesak等人，2022年；Nelson等人，2022年），为塑料污染提供了替代解决方案。然而，由于生产成本高（Yao等人，2025年）、降解条件不理想以及热稳定性有限，这些聚合物的广泛应用受到了限制。因此，直接使用可再生资源衍生的可持续聚合物是非常理想的。

天然聚合物因其高生物相容性、优异的生物降解性、无毒性以及低成本而受到青睐（Li和Yang，2021年）。纤维素和壳聚糖是最丰富的生物质资源，被认为是替代石油基塑料的理想候选者（Zhou等人，2023年）。来自生物质的微尺度材料，如棉纤维和木浆，广泛可用且易于加工。然而，仅由这些微材料制成的材料，如干纸浆基纸张，由于纤维间接触不足和界面相互作用有限，通常机械强度较弱。为了解决这个问题，通常需要外部粘合剂来提高足够的结构凝聚力。生物质衍生的纳米材料，特别是纳米纤维和纳米晶体，已成为非常有效的天然粘合剂。它们的高表面积和丰富的官能团能够与微尺度纤维形成强氢键和缠结，大大提高了复合材料的机械强度、柔韧性和完整性。

壳聚糖和纤维素具有高结晶度和半结晶结构，是提取多种长度尺度纤维材料的优秀原料。微尺度和纳米尺度纤维的战略性结合是组装生物塑料的有效方法。Liu等人通过将长竹纤维与短甘蔗纤维结合，成功制备了复合生物塑料，其中竹纤维被嵌入到蔗渣纤维基质中以增强性能（Liu等人，2020年）。或者，使用纤维素纳米纤维或木质素作为粘合剂与微米级材料混合，可以提供比单独混合微纤维更强的氢键网络和优化的界面应力传递（Guan等人，2022年；Jiang等人，2020年；Wang等人，2020年；Wang等人，2021年）。壳聚糖纳米纤维通过含氮官能团实现的多种氢键和静电相互作用，具有强大的界面粘附力。它们具有天然的抗菌性、高透明度和pH响应性，与CNFs和木质素系统相比具有明显优势。

同时，人们也在大力发展基于淀粉、纤维素和壳聚糖的生物塑料（Gamage等人，2024年）。基于淀粉的生物塑料因其更高的生物降解性和可再生性而具有吸引力（Cheng等人，2021年；Santana等人，2025年；Thuwall等人，2006年；Xie等人，2023年）。然而，它们的应用通常受到高吸水率和机械性能不足的限制（Anugrahwidya等人，2021年）。基于纤维素的生物塑料，包括纳米纤维素薄膜和纤维素复合材料，可以实现优异的机械性能，但通常需要能耗高的加工或复杂的溶剂系统（Cao等人，2025年；Kour等人，2025年；Zhang等人，2025年）。基于壳聚糖的生物塑料具有良好的成膜能力和生物功能性，但其机械强度和结构稳定性往往受到酸性加工条件的强烈依赖性和相对脆性的限制（Chen等人，2025年；Nguyen等人，2024年）。尽管取得了这些进展，但使用完全天然成分开发同时具备简单加工、强界面凝聚力和平衡机械性能的生物塑料仍然具有挑战性。

在我们之前的工作中，我们开发了一种简单且大规模的方法来制备壳聚糖纳米纤维（ChNFs），该方法仅涉及溶解、温和的温度孵育和水再生（Feng等人，2025年；Lin等人，2025年）。在这里，我们提出使用ChNFs作为天然粘合剂。我们假设将ChNFs与各种微尺度生物质材料均匀混合后干燥，可以通过纳米纤维的自组装形成高性能生物塑料薄膜。因此，我们通过将微尺度材料（天然竹微纤维或β-壳聚糖微片）与α-壳聚糖纳米纤维（ChNFs）结合，制备了一种全天然的生物塑料薄膜。ChNFs是通过壳聚糖碱溶液的透析制备的，竹微纤维是通过碱性水热反应提取的，β-壳聚糖微片是从鱿鱼笔中制备的。所有成分都是通过简单、无毒的程序制备的。ChNFs均匀地缠绕并包裹在微尺度生物质上，填充间隙并作为粘合剂将微纤维固定在自编织的三维网络中。在微尺度和纳米材料表面的众多亲水基团之间可以形成以氢键相互作用为主导的凝聚结构。所得生物塑料具有致密的结构和增强的机械强度，并可以通过润湿-成型-干燥方法加工成各种形状。此外，由于部分脱乙酰化壳聚糖在稀酸中的溶解性，1 wt%的醋酸可以用作“胶水”将两片生物塑料薄膜粘合在一起。这种方法提供了制备具有封闭结构的材料的可能性，如吸管和包装。

材料

壳聚糖粉末（α-壳聚糖）和鱿鱼笔从浙江金壳生化有限公司购买。壳聚糖粉末需要使用实验室建立的方法进行纯化（Zhu等人，2019年），清洗以去除杂质，去除蛋白质和矿物质，脱色4小时，然后干燥以获得白色的α-壳聚糖粉末（分子量约2.3×10^5 g·mol^-1，乙酰化程度约93%）。竹签从山东卓月军珠有限公司购买。

生物塑料的设计

为了减轻不可生物降解塑料的潜在危害，我们通过将纳米级ChNFs与微结构生物质（竹微纤维或β-壳聚糖微片）结合，开发了一种全天然且可生物降解的生物塑料（图1）。通过溶解-透析方法制备的ChNFs（Jia等人，2024年；Lin等人，2021年）表现出单一分散的形态，平均长度为1.25±0.51 μm，平均宽度为15±5 nm，纵横比约为80。