目前，全球塑料產(chǎn)量已超過3.68億噸，其中一次性使用的塑料制品約占40%。這些塑料制品，尤其是一次性包裝和一次性餐具等材料，面臨著總消耗量大、浪費(fèi)嚴(yán)重及回收困難等問題。同時(shí)，廣泛使用的一次性塑料餐具在使用后通常被埋入或直接丟棄到自然環(huán)境中，大量的研究表明塑料在日常使用和降解過程中都會(huì)釋放出微塑料，這將進(jìn)一步對環(huán)境和人體健康構(gòu)成潛在威脅。因此，開發(fā)具有優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度和耐熱性能且不釋放微塑料的高性能結(jié)構(gòu)材料勢在必行。
近日，我校俞書宏院士團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種由食品級安全的馬尾藻纖維素納米纖維（scnf）制成的具有優(yōu)異力學(xué)性能和熱學(xué)性能的高性能結(jié)構(gòu)材料。相關(guān)成果以“ultrastrong, thermally stable, and food-safe seaweed-based structural material for tableware”為題發(fā)表在《先進(jìn)材料》上（adv. mater. 2022, doi: 10.1002/adma.202208098）。論文第一作者為博士研究生李德涵、韓子盟和碩士研究生何謙，通訊作者為管慶方副研究員和俞書宏教授。
首先，研究人員發(fā)展了于溫和的反應(yīng)條件下高效、低能耗的方法從馬尾藻工業(yè)廢棄物中提取出一種食品安全的scnf（圖1a）。然后，經(jīng)ca2+交聯(lián)后形成scnf水凝膠（圖1b），通過自上而下的方法將scnf水凝膠制備成高強(qiáng)度（283 mpa）和高熱穩(wěn)定性（>;160℃）的馬尾藻纖維素基結(jié)構(gòu)材料（scnsm）（圖1c和2a）。與大多數(shù)商用的塑料相比，該結(jié)構(gòu)材料具有較高的硬度，還可以通過破壞和重組可逆的納米纖維間氫鍵相互作用網(wǎng)絡(luò)來耗散能量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度、模量、韌性和熱穩(wěn)定性的平衡（圖2b-e）。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)材料還具有良好的可加工性能及食品安全性，可以將其加工成不同形狀的餐具用刀叉等（圖1d）。此外，這種結(jié)構(gòu)材料還可以通過聚乳酸和姜黃素進(jìn)行改性，以獲得更好的防水性能和抗菌性能。基于該結(jié)構(gòu)材料的餐具整體性能優(yōu)于目前商用塑料、木基和聚乳酸基餐具，在該領(lǐng)域顯示出替代這些產(chǎn)品的潛力。
圖1 馬尾藻纖維素基結(jié)構(gòu)材料（scnsm）的制備。（a）馬尾藻納米纖維素（scnf）；（b）scnf表面的-cooh與ca2+交聯(lián)形成水凝膠；（c）通過自上而下的方法將scnf水凝膠制備成scnsm;（d）scnsm可加工成形狀多樣的刀叉等餐具。
圖2 scnsm機(jī)械性能和熱性能的相關(guān)表征。（a）scnsm樣品數(shù)碼照片展示；（b）scnsm餐具與廣泛使用的餐具材料邵氏硬度的比較；（c）ashby圖展示了scnsm樣品與廣泛使用的塑料的彎曲強(qiáng)度與模量的比較；（d,e）scnsm樣品與廣泛使用的塑料在23℃和220℃下熱板實(shí)驗(yàn)的對比展示。
該工作受到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、中國高校協(xié)同創(chuàng)新計(jì)劃、安徽省科技重大專項(xiàng)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金和安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等支持。
論文鏈接：
（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、科研部）
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