由原油和天然气中的碳氢化合物制成的塑料广泛应用于人们的日常生活中，其中超过四分之一的塑料被用作食品包装并大量排放到生态系统，对环境产生了显著的负面影响。从可再生资源中提取生物可降解材料作为石油基塑料的替代品，取之于自然，还于自然，是助力社会可持续发展的重要途径。其中，纤维素具有优异的生物可降解性和可塑性，虽然采用“自下而上”的方法已经开发出低成本、可降解的食品包装材料，但依然存在成本高、力学强度不足、拒水阻气性能差等缺点。木材作为地球上最丰富的纤维素资源之一，因其固有的生物可降解性和分级多孔结构，采用‘’自上而下”的策略（如化学脱除木质素、热压、离子交联、树脂浸渍等）可以有效提高木质薄膜的力学性能和光学性能，但木质基薄膜材料在同时兼顾力学性能、光学性能和阻隔性能等方面仍然存在挑战。

东北林业大学甘文涛课题组与浙江大学庞震乾课题组报道了一种自上而下的策略，通过化学脱除木质素和聚乙烯醇(PVA)渗透的方法，将天然木材转化成一种兼具高机械强度、高气体阻隔性和可生物降解的透明木材包装膜。吸光木质素的去除和TEMPO介导氧化将纤维素羟基氧化为羧基削弱了木材细胞壁中纤维素纳米纤维之间的氢键作用。由于纤维素和PVA分子链上含有丰富的羟基和羧基，可以有效重塑强氢键网络，从而在风干后形成细胞壁和 PVA相互缠绕的致密结构，致使其纵向机械强度高达180MPa。为了阐明PVA和纤维素纳米纤维之间的强化机制，分子动力学模拟表明纤维素与PVA的结合通过促进纤维素纤维之间的张力从滑动转移到纤维素纤维之间的张力耦合，以及促进PVA分子之间的氢键拉伸，有效地提高了木材包装膜的杨氏模量和强度。此外，纤维素纤维抵抗PVA分子之间的I型开裂，而PVA分子的掺入增强了纤维素纤维之间的粘附性，从而阻碍了分子间滑动(II型开裂)。这种协同作用最终导致木材包装膜的强度和韧性的增强。利用这种折叠的层状细胞壁结构，木质包装薄膜还具有优异的光学性能（透光率高达86%，雾度低至14%）以及良好的气体阻隔性能（WVTR和OTR分别为73.45 g m^-2 day^-1和0.94 cc m^-2 day^-1）。因此本研究为制造多种功能性和环保型食品包装的提供了替代方案，有助于减少一次性塑料的积累，显著减少不可再生化石能源的消耗。

图1. 木材包装膜的制备示意图

图2. 木材包装膜的形貌和结构表征。(a)一米长天然木材的照片。(b-d) 天然木材的扫描电镜图像，显示了纵向的多通道微结构和光滑的细胞壁。(e）脱木质素木材的照片。(f）和（g）脱木质素木材的扫描电镜图像，显示细胞壁中暴露的纳米孔和纤维素纳米纤维。(h) 透明木材包装膜的照片。(i) 和 (j) 木材包装膜的扫描电镜图像，PVA和木材细胞壁交织在一起形成层状结构。

图3.木材包装膜的力学性能与分子动力学分析。(a) 天然木材、脱木质素木材和木材包装膜的应力-应变曲线。(b) 天然木材、脱木质素木材和木材包装膜的拉伸强度比较。(c) 木材包装膜与各种材料的比模量和比强度比较。(d-f) 纤维素、PVA和纤维素/PVA复合材料的MD模拟模型，阐述纤维素基材料在拉力作用下的变形和破坏行为。(g）纤维素、PVA 和纤维素/PVA 复合材料的MD模拟应力-应变曲线。(h)拉伸过程中三种模型氢键能的变化。(i)木材包装膜拉伸断裂的SEM图像。

图4. 木材包装膜的光学和阻隔性能。(a) 和 (b) 天然木材、商用PVC薄膜和木材包装膜的光学透过率和雾度。(c) 激光束分别穿过天然木材、PVA薄膜和木材包装膜的照片。(d) 木材包装薄膜和PVC薄膜放置在地面上的照片（离地面距离分别为1.5厘米和6厘米）。(e) WVTR测试示意图。(f) 未浸渍PVA的致密化木材薄膜、塑料薄膜和木材包装薄膜的 WVTR。(g) 未浸渍PVA的致密化木材薄膜、塑料薄膜和木材包装薄膜的OTR。

图5. 木材包装膜的可降解性。(a)脱木质素木材、木材包装膜和塑料薄膜进行生物降解性测试的照片。(b) 脱木素木材、木质包装膜和塑料薄膜的重量损失率。(c) 木材包装膜和塑料薄膜的水降解性测试照片。(d) 比较木材包装膜和聚氯乙烯薄膜的可持续性碳足迹。

图6.木材包装膜的规模化生产。

甘文涛，东北林业大学教授，国家级青年人才。主持国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划子课题等，主要从事木材仿生与智能化、木材保护、木基能源存储与转化材料等研发，在Nature Sustainability、ScienceAdvances、Nature Communications、Advanced Materials等期刊发表60余篇研究论文。

庞震乾，浙江大学“百人计划”研究员，博士生导师。长期从事先进功能材料与结构材料的动态本构关系、多尺度破坏机理和强韧性理论研究。在Nature Nanotechnology、Nature Communications、Journal of the Mechanicsand Physics of Solids、PNAS、Advanced Materials等国际知名期刊发表研究论文30余篇。

Tang J, Fan X, Huang H, et al. Biodegradable, strong, and clear wood package for plastic alternative. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6831-y.