木质素增强模塑纸浆材料的湿强度和湿刚度：一种可持续塑料替代方案

推荐：为解决纤维素材料在潮湿环境下强度不足的问题，研究人员以Kraft木质素作为湿强度添加剂(WSA)，结合热压成型技术开发新型模塑纸浆材料。研究通过调控木质素粒径、絮凝剂类型和压制湿度等参数，获得湿强度达9 MPa、湿强度保留率12%的复合材料，其湿刚度从200 MPa提升至938 MPa。该成果为开发可回收、可生物降解的塑料替代品提供了新思路。

　　

随着全球对微塑料污染问题的日益关注，开发可回收、可生物降解的包装材料成为当务之急。纤维素基材料因其环保特性备受青睐，但其对水的高敏感性严重限制了应用场景。传统湿强度添加剂(WSA)如聚酰胺胺-表氯醇(PAE)等合成聚合物虽效果显著，却与环境友好理念背道而驰。这一矛盾促使科学家们寻找更可持续的解决方案。

挪威RISE PFI AS研究所（原造纸纤维研究所，英文全称Research Institute of Sweden - Paper and Fiber Institute）的Eva Pasquier和Jost Ruwoldt团队将目光投向了木质素——这种自然界储量第二丰富的可再生芳香族聚合物。研究人员创新性地将Kraft木质素作为湿强度添加剂应用于漂白硫酸盐浆中，通过热压成型技术开发出具有塑料替代潜力的新型材料，相关成果发表在《Journal of Bioresources and Bioproducts》。

研究采用溶剂置换法制备木质素纳米颗粒(LNP)，通过动态光散射(DLS)确认其粒径为102 nm；使用阳离子淀粉和商业絮凝剂PCB 20作为保留助剂；采用两步热压工艺（175°C，50 MPa）处理不同湿度（10%和50%）的预制坯料；通过扫描电镜(SEM)观察微观形貌，并测试干/湿状态下的力学性能。

3.1 形貌特征

SEM显示高温压制使木质素熔融并覆盖纤维表面，50%湿度处理的样品因木质素玻璃化转变温度(T_g)降低而呈现更均匀的分布。质量平衡测算证实LNP因粒径较小导致保留率较低（7% vs 粉末的15-20%）。

3.2 干强度性能

湿度对强度提升具有决定性作用：参比样品在50%湿度压制后强度提升154%，含木质素样品提升39-121%。LNP在低湿度下表现出优势（SLNP 10强度56 MPa，较SL 10高50%），但高湿度下这种差异消失，表明完全熔融的木质素不再受粒径影响。

3.3 湿强度性能

突破性发现出现在湿强度测试中：50%湿度压制的PL 50和SL 50样品湿强度分别达9.1 MPa和8.7 MPa，较10%湿度样品提升4倍。对应的湿模量从200 MPa跃升至938 MPa，且未出现脆化现象。研究人员认为这归因于水分促进的木质素塑化和缩合反应，形成稳固的纤维素-木质素三维网络。

这项研究的重要意义在于：首次系统论证了压制湿度对木质素增强效果的调控作用，揭示了水分通过降低木质素T_g和促进缩合反应的双重机制；开发出湿强度保留率达12%的纯生物基材料，其938 MPa的湿模量已接近某些商用塑料；采用的溶剂置换法和絮凝剂辅助保留策略为工业化生产提供了技术路线。该成果不仅为模塑纸浆产品开辟了新应用场景，更推动了可持续包装材料的发展进程。