近日，中南林业科技大学吴义强院士、何帅明教授团队在Advanced Functional Materials发表题为“A High-Strength, Moldable, and Sustainable Bioplastic Enabled by Water-Mediated Dual-Bond Reconstruction and Crystal Structure Deformation”的研究论文。研究团队提出了一种水介导晶体结构变形与双键网络重构策略，以天然木材单板为原料，通过脱木素、醛基功能化和热压处理，将天然木材直接转化为高强、透明、可成型和可回收的塑化木材（plasticized wood，PW）。所得材料纵向拉伸强度约为250 MPa，并表现出良好的耐水、耐酸、耐有机溶剂和热稳定性能，为天然木质纤维素高值化利用及石油基塑料替代提供了新的思路。

  传统石油基塑料具有优异的加工性能和环境稳定性，但其难降解特性带来了日益严重的环境问题。纤维素来源丰富、可再生且具有较高的本征力学性能，因此被认为是构筑可持续生物塑料的重要原料。然而，目前许多高性能纤维素基塑料依赖纳米纤维素的提取、解离和重新组装，不仅工艺复杂、能耗较高，而且天然纤维素内部致密的氢键网络和高度有序的晶体结构会限制分子链运动，使其难以像传统热塑性塑料一样实现充分塑性变形。天然木材本身具有取向纤维、连续细胞壁骨架和多尺度层级结构，是天然形成的高效承载体系。因此，研究团队没有将木材完全解离后再重新组装，而是采用“自上而下”的方式，在尽可能保留天然木材结构优势的基础上调控纤维素分子间作用。

  研究首先去除木材中的木质素和大部分半纤维素，使细胞壁发生溶胀和软化；随后利用高碘酸盐对纤维素进行选择性氧化，在C2、C3位引入醛基，同时破坏原有纤维素晶区。之后调节材料含水率并进行热压。水分子的加入可以竞争性参与纤维素链间的氢键作用，从而提高分子链的迁移和重排能力；同时，醛基在水环境下发生水合，并可能进一步参与醛基—羟基相关的键合作用。随着热压过程中水分逐渐移除，纤维素分子间氢键重新形成，从而将重新排列后的结构固定下来。研究将这一过程概括为水介导的双键网络重构与晶体结构变形。其中，双键网络包括重构的氢键网络以及光谱结果间接支持的可能醛基介导相互作用。

图1：塑化木材设计理念与制备过程

  研究结果表明，醛基功能化显著破坏了天然木材中高度有序的纤维素晶体结构，并降低了纤维素微纤丝的取向程度，从结构层面提高了分子链重新排列的可能性。进一步的低场核磁、此外，水在塑化过程中发挥了关键作用：湿态下，氢键网络发生松弛，纤维素链具有更高的运动能力；干燥后，氢键重新构筑，材料重新转变为坚硬、稳定的固体。因此，塑化木材能够实现湿态易变形、干态固定的可编程行为，并可通过模具热压加工为波浪形、螺旋形、圆柱形和圆锥形等不同结构。

图2：水介导塑化和形状固定机制

  在力学性能方面，塑化木材表现出明显优势。单层塑化木材纵向拉伸强度达到249.67 ± 10.02 MPa。进一步采用0°/90°/0°正交层合后，纵向拉伸强度达到253.26 ± 15.11 MPa，约为天然木材的11倍；径向拉伸强度达到156.49 ± 32.11 MPa，约为天然木材的33.8倍，弯曲强度达到85.48 ± 7.88 MPa。同时，其Shore D硬度达到93–95，处于典型刚性塑料范围。

  除了高强度外，该材料还表现出较好的环境稳定性。其水接触角由天然木材的44.0°提高至90.4°，24 h吸水率显著降低；在水、酸性溶液以及多种有机溶剂中连续浸泡31天后仍能够保持整体结构。此外，在200 ℃处理180 s后，塑化木材仍保持较好的结构完整性。

  更值得关注的是，该材料还具有再加工能力。塑化木材经过机械粉碎、加水、重新热压可以连续进行5次循环加工。第一次回收后的材料拉伸强度仍达到85.94 ± 6.23 MPa，约为天然木材的3.8倍，同时单次回收过程的电能消耗相比初始制备降低76.68%。

  该研究利用天然木材自身的连续纤维骨架，通过晶体结构调控、水介导链段运动以及氢键网络重构，实现了天然木材由刚性结构向高强可加工生物塑料的转变。所得塑化木材同时兼具高强度、可成型性、透明性、耐环境稳定性和循环再加工能力，为木质纤维素材料的高值化利用提供了一条不同于传统纳米纤维素解离、重组的新路径，也为可持续塑料替代材料的设计提供了新的研究方向。

  论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.77695