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  一次性塑料餐具因低成本與便利性被廣泛使用，但難降解特性引發嚴重的環境污染和微塑料危害，正面臨全球嚴格管控。在此背景下，源自可再生木質纖維素的紙漿模塑餐具（PMUs）因具備可降解、可回收和可堆肥等優勢，被視為替代塑料的理想選擇。然而，其親水性強、結構疏松，導致耐水、耐油和抗凍融性能不足。盡管已有改性嘗試，如纖維混合、涂層或化學處理，但往往伴隨滲漏、成本高和回收難，限制了大規模應用。因此，如何在保持綠色可降解特性的同時實現結構與界面性能的協同提升，已成為推動紙漿模塑產業化發展的核心瓶頸和關鍵挑戰。

  近日，廣西大學王雙飛院士團隊李許生課題組提出了一種基于生物質的新型紙漿模塑餐具（LP-PMUs）制備策略，兼具可持續性與規模化應用潛力。該方法通過木質素驅動的纖維“焊接”和聚（3-羥基丁酸酯-4-羥基丁酸酯，PHB）保形涂層的協同作用，構建出結構致密、耐油耐凍融的高性能材料。研究中，細小纖維有效填充孔隙，殘余木質素在熱壓下自交聯增強結構強度，同時木質素與PHB在界面兼容形成可降解防護層。這一創新性的木質素功能化利用路徑，不僅克服了傳統紙模餐具的耐久性瓶頸，也為替代一次性塑料提供了可行的新方案。這項成果以題為《Freeze–thaw durable, oil-resistant molded pulp via lignin-driven fiber welding and conformal coating for sustainable plastic alternatives》發表在最新一期的《Chemical Engineering Journal》期刊上，2025級碩士研究生邱劍升為本研究的第一作者，李許生副教授為通訊作者，董藤藤、蔡辰辰、劉永斐、唐方圓、胡清娣和吳訓瀟參與研究。

1. 設計與制備

  LP-PMUs呈現層級結構，其核心部分為致密壓實且力學增強的卓越凍融穩定性纖維網絡，外部包裹著具有優異防油性的功能性外殼。LP-PMUs的制備先通過化學預處理增加酚羥基和羧基含量，從而提升了殘余木質素的反應活性。再利用機械精磨產生細小纖維填充空隙，促進纖維間的緊密接觸。最后的熱壓過程中，殘余木質素發生熱軟化、重新分布及自交聯，與 PHB 在表面發生共熔，形成連續保形阻隔層，從而提升模塑結構的整體力學完整性并實現高效無氟防油性。這一集成策略實現了三個相互關聯的設計目標：（1）通過化學與機械處理實現纖維網絡致密化，使內部纖維基質緊密排列；（2）借助木質素焊接強化纖維 - 纖維界面，提升力學穩定性；（3）利用木質素與 PHB 的界面共熔，構建可生物降解的防油表層。

圖1. 紙漿模塑餐具的合成和特性。

2. 理化特性

  纖維網絡內部存在空隙，這些空隙是液體滲透的主要通道，同時會減小纖維間的有效結合面積，進而對餐具的阻隔性能和機械強度產生不利影響。借助機械精磨時細小纖維填充間隙、熱壓時軟化木質素重分布及“木質素焊接”，L-PMUs形成更光滑致密的表面結構，且細小纖維比例與體積密度正相關、與拉伸強度呈類高斯函數關系。通過XPS分析發現，熱壓中木質素的芳香族醚鍵發生熱降解，同時形成新的 C-C 交聯鍵，增強纖維附著力與網絡穩定性。基于熱軟化后的木質素與 PHB 之間界面相容性的提升，LP-PMUs微觀結構顯著優化，平均孔徑、孔隙率降低，體積密度提升，從而獲得更優異的阻隔性能、結構穩定性和耐久性。

圖2. 紙漿模塑餐具微觀結構分析

3. 耐油性與濕態力學穩定性

  圖3顯示，LP-PMUs在接觸不同滲透能力的油性液體時，展現出最高的防油等級（12級）。將99℃大豆油滴加于餐具表面并保持10分鐘，結果顯示LP-PMUs表面未受影響，無可見油脂滲透。經過纖維致密化處理和軟化木質素驅動纖維焊接后，LP-PMUs的疏水性顯著提升，飽和吸水率與尺寸溶脹率均明顯降低。這些性能優化轉化為更優異的濕態力學耐久性：在50g持續水下載荷作用下，LP-PMUs薄片可保持結構完整性超過6小時；即便載荷提升，LP-PMUs仍保持顯著優勢。上述結果凸顯了界面工程在調控紙漿模塑餐具力學性能中的關鍵作用，也表明LP-PMUs有望成為下一代可持續包裝材料的有力候選，尤其適用于潮濕、含油及高溫等嚴苛應用場景。

圖3. 紙漿模塑餐具耐油性和水穩定性

4. 凍融穩定性

  良好的耐凍融性有利于PMUs在極端環境中的保持結構完整性，長期凍融實驗結果顯示LP-PMUs相對于 LF-PMUs具備更優異抗凍融性。在進一步的延長循環測試中，商用PMUs出現明顯變形和裂紋擴展，餐具底部完全破裂；而 LP-PMUs凍融循環中未出現微裂紋、翹曲或分層等任何損壞跡象。隨后的力學測試中，無論在常溫還是凍融循環條件下，LP-PMUs都展現了優異的結構穩定性。這說明致密化的纖維網絡與增強的纖維間結合力，不僅減少了水分侵入，還能抑制結構開裂，并在反復冷熱循環下維持載荷承受能力。這種優異性能極大地拓展了 LP-PMUs 的應用潛力，使其可適用于冷鏈包裝、冷藏儲存等傳統紙漿模塑餐具難以勝任的嚴苛場景。

圖4. 紙漿模塑餐具的耐凍融性

5. 環境可持續性：生物降解性與生命周期碳足跡

  PMUs的環境可持續性將有利于其在一次性餐具競爭中占據優勢。在自然土壤掩埋條件下LP-PMUs 具備優異的生物降解性，SEM分析揭示了LP-PMUs 的環境相容性，證實木質素 - PHB 阻隔層的引入并未阻礙其自然降解。通過生命周期碳排放評估結果顯示，作為富含碳元素的生物質衍生產品，LP-PMUs固碳量不僅能抵消生產過程中的碳排放，甚至實現了碳的凈封存，使 LP-PMUs 成為一種 “碳匯型” 材料。此外，LP-PMUs 還具備出色的化學穩定性，完全滿足與酸性、堿性物質接觸的食品包裝材料安全要求。生物基組分的全面應用、低能耗的制造工藝及可堆肥的生命周期末端特性，共同凸顯了 LP-PMUs 作為循環型低碳材料的潛力，有望替代傳統塑料與紙質餐具，為推動循環經濟發展提供有力支撐。

圖5. 紙漿模塑餐具的環境可持續性

  研究團隊基于熱壓誘導木質素“焊接”并與PHB界面共熔構建的致密交聯纖維網絡，顯著提升了紙漿模塑餐具的結構穩定性和環境適應性。該方法整合纖維致密化、木質素自交聯及PHB可降解涂層，協同改善了濕敏性和阻隔性能，使所得產品在凍融穩定性、耐濕性和耐熱油性方面均顯著改善。依托全生物基原料與低能耗工藝，LP-PMUs實現了生物降解和“碳匯”潛力，展現出優異的環境相容性，為替代石油基塑料、推動綠色制造和循環經濟提供了可行路徑。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168187