把林业和农业剩余物升级为高值材料，难点不只是把纤维素“榨”出来，还要避免木质素被烧掉或降级成低价值副产物。传统制浆工艺优先获得纤维素，技术性木质素则常因缩合、氧化而颜色深、反应性低；木质素优先路线虽能保留结构，却往往依赖金属催化剂，容易受高灰分原料毒化，也缺少让两大组分在同一材料中协同增值的出口。与此同时，普通纤维素纸主要靠氢键结合，遇水后承载能力急剧下降。

 

近日，斯德哥尔摩大学研究团队提出一条无金属、常压的反应分级路线：直接从同一份木质纤维素原料中获得高质量纤维素和浅色的功能化木质素，通过环氧开环与纤维素共价偶联，生成复合材料。该材料的机械性能与常用包装材料相当，且在潮湿条件下仍能保持良好的性能，克服了氢键纤维素网络固有的局限性。通过将温和分馏与化学升级相结合，该策略简化了加工过程，拓宽了可从残余生物质副产品中获得的产品范围，并促进了问题包装材料的替代。这些发现为从残余物中实现全生物质共增值和耐湿生物基包装的可扩展途径奠定了基础。相关成果以“Composites of covalently linked lignin and cellulose from one feedstock”为题，8月27日发表于 Nature Communications。

 

图1. 反应分馏工艺及复合材料的制备。a 反应分馏示意图；b 纤维素与 ESL 之间的共价键；c天然杨木的 SEM 图像； d反应分馏所得纸浆的 SEM 图像。SL: 丁香化木质素，ESL: 环氧功能化丁香化木质素，ESLP：ESL-纸浆复合材料。

 

图2. SL和ESL的表征。a,c 在DMSO-d6中，SL和c ESL的HSQC NMR谱显示了苯基芳香相关峰（红色）以及归属于环氧亚甲基/亚甲基基团的新交叉峰（紫色）。b SL对酚羟基的定向环氧官能化。d 药物化后SL和ESL在CDCl3中的31P NMR谱，显示出酚羟基的消失。e SL和ESL在四氢呋喃中的GPC曲线，表明环氧官能化后分子量向高分子方向移动。f SL和ESL的FTIR谱，显示O–H伸缩振动峰减弱，并出现908 cm⁻¹处的环氧环吸收峰。g 松木、SL和ESL的TG和DTG曲线，分别代表样品的热稳定性。
 

图3. ESLFP的力学性能。a. 纤维素与ESL之间拟议的反应机理。b. 在不同温度下制备的ESLFP的拉伸应力-应变曲线。c. FP、ESLFP*和ESLFP的抗拉强度和模量。d. FP、ESLFP*和ESLFP的湿拉伸应力-应变曲线。e. FP、ESLFP*和ESLFP的湿抗拉强度和模量。误差棒表示三次重复测量数据的标准偏差。FP: 滤纸; ESLFP: ESL-滤纸复合材料，ESLFP*不含催化剂的ESL-滤纸复合材料。

 

图4. ESLFP*和ESLFP的动力学实验。a 为不同时间加热的ESLFP*，b 为不同时间加热的ESLFP的照片。c 为不同时间加热的ESLFP*，d 为不同时间加热的ESLFP的动力学FTIR谱图。

 

图5.FP、ESLFP*和ESLFP的表面观察。FP、ESL和ESLFP的XPS谱图。FP、ESLFP和ESLFP* 的SEM图像。
 

图6. ESLP和纸浆的特性分析。a ESLP和纸浆的拉伸应力-应变曲线。b ESLP和纸浆的抗拉强度和模量。c ESLP和纸浆的湿拉伸应力-应变曲线。d ESLP和纸浆的湿抗拉强度和模量。e ESLP和纸浆的SEM图像。f 不同时间后ESLP和纸浆的接触角图像。误差棒表示三次重复测量数据的标准差。
 

图7. ESLP的长期湿度稳定性及堆肥降解行为。a 室温下不同相对湿度条件下，ESLP在97天老化后抗拉强度和b抗拉模量。c 堆肥过程中ESLP与滤纸宏观分解的代表性照片。
 

本研究通过无金属、常压反应分级，从同一木质纤维素原料中直接获得高纯纤维素和可反应的丁香基化木质素，并在不先将两者彻底解聚的情况下完成材料级协同增值。环氧化木质素作为反应桥，在热压过程中与纤维素生成耐久醚键，把易受水破坏的氢键纤维网络转化为化学交联架构。所得ESLP的干态强度与模量达到46.7 MPa和2.5 GPa，湿态仍保留33.9 MPa与2.0 GPa，并在长期湿度老化后维持承载，同时在堆肥条件下逐步降解。研究证明，灰分较高的林业和农业副产物也能被整体升级为兼具包装级力学、耐湿性与终端可降解性的生物基复合材料，为残余生物质的闭环高值利用提供了一条可规模化的技术路径。

 

此外，本研究通过实现木质素与纤维素组分的全值化利用，无需繁琐的加工即可生产出具有良好机械性能的复合材料，进一步拓展了该领域的研究边界。鉴于其工艺简捷和对原料的广泛适用性，该技术将对包装行业及产生剩余生物质流的利益相关者具有重要意义。