从一粒硫辛酸到一块可塑、可粘、可抗冲击的“绿色塑料”——湖南大学团队用超分子魔法

搁浅

从一粒硫辛酸到一块可塑、可粘、可抗冲击的“绿色塑料”——湖南大学团队用超分子魔法重新定义生物质（DOI: 10.1039/d3mh01692g）
一、背景：当“废弃生物质”遇见“动态化学”
全球每年产生约 20 亿吨农林及海产废弃物，其中只有不到 10 % 被高值利用；与此同时，传统石化塑料带来的碳排放和微塑料污染正逼迫各国加速“去石油化”。湖南大学董盛谊团队与华西口腔医学院、西北大学合作，在《Materials Horizons》2024 年首期中发表突破性成果：他们把最常见的甘蔗渣、纤维素、壳聚糖、淀粉、果胶、瓜尔胶六种生物质，与一种天然辅酶——硫辛酸（TA）——通过“无溶剂超分子共聚”一步转化为块体功能材料 poly[TA-biomass]。整个过程无需催化剂、无副产物、无需严格除水除氧，135 °C 搅拌 2 小时即定量完成，真正实现了“像炼糖一样炼塑料”。
二、核心创新：一条双**络，撑起六大功能

• 氢键 + 双硫键协同
  生物质上丰富的羟基、羧基、氨基与 TA 的羧酸、二硫键形成高密度氢键网络；二硫键在热**下可逆断裂-重组，赋予材料“热塑性”和“自修复”。
  
• 相变温度窗口
  130 °C 以上为低黏液体，可注塑、挤出、3D 打印；降至室温 5 分钟内固化成 Shore D 40 的硬塑料，且循环 100 次以上性能不衰减。
  
• 六大实测性能
  • 超强粘接：室温对钢黏附强度 8.23 MPa，水下 7.32 MPa，-18 °C 仍保持 5 MPa以上；
  • 抗冲击：落锤冲击能量 1.63 kJ m⁻²，是同质量聚丙烯的 1.9 倍；
  • 低温韧性：液氮（-196 °C）中弯折不裂，冲击能量保持率 >70 %；
  • 广谱抗菌：对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌杀灭率 99.99 %，72 小时长效抑菌；
  • 生物安全：NIH 3T3 细胞 3 天存活率 >95 %，小鼠体内 500 mg kg⁻¹ 剂量无器官毒性；
  • 闭环回收：乙醇简单浸泡即可 99 % 回收 TA 与生物质，二次加**学性能反升 8 %。
  
  

三、应用场景与商业模式

• 冷链与建筑：
  以甘蔗渣-壳聚糖体系制备的 2 mm 薄膜，导热系数 0.028 W m⁻¹ K⁻¹，与商用聚氨酯泡沫相当，但阻燃等级达 V-0，且可在 150 °C 热风下热封成任意袋体，实现“一次性泡沫箱”到“可回收保温袋”的替换。
  
• 医疗快粘：
  淀粉-硫辛酸共聚物在 80 °C 熔融后，可在 3 秒内黏附湿创面；体外猪皮剥离强度 3.5 N cm⁻¹，与纤维蛋白胶相当，成本却不到其 1/5。正在华西医院开展 Ⅰ 类免缝合口腔黏膜修复临床前研究。
  
• 3D 打印耗材：
  纤维素体系已被制成直径 1.75 mm 的 FDM 打印丝，打印温度窗口 100–110 °C，可在普通桌面机上成型复杂晶格；打印件经 70 °C 热压后可恢复致密结构，可用于无人机轻量支架或运动护具。
  
• 抗冲击包装：
  瓜尔胶-硫辛酸发泡体密度 0.45 g cm⁻³，能量吸收率 70 %，已通过 1 m 跌落测试，可替代 EPE 珍珠棉用于精密仪器运输。
  
• 循环经济示范：
  以 1000 吨/年规模测算，原料成本 200 美元/吨，综合加工能耗 0.8 kWh/kg，产品市场售价 3–5 美元/kg，投资回收期约 2.5 年；回收单元仅需乙醇蒸馏与过滤，回收溶剂循环率 >95 %。
  
  

四、产业合作路线
阶段一（0–12 个月）：
• 建立 10 吨/年中试线，完成冷链袋、医用胶、打印丝三类产品客户验证；
阶段二（1–3 年）：
• 与包装巨头共建 1000 吨/年示范工厂，输出品牌级“绿色母粒”；
阶段三（3–5 年）：
• 通过设备模块化输出，帮助甘蔗、虾蟹加工聚集区就地转化废弃物，形成“原料-制品-回收”闭环县域经济。
五、行动呼吁
硫辛酸是 FDA 公认安全的膳食补充剂，生物质更是取之不尽的城市矿山。湖南大学团队已开放核心专利许可，并提供从配方-设备-检测到回收的全套工艺包。
如果您是：
• 冷链或生鲜品牌——让我们用一张“可热封、可折叠、可反复用”的保温袋替代千万只一次性泡沫箱；
• 医疗器械公司——一起把“ 3 秒速粘、生物可吸收”的创面胶带进手术室；
• 3D 打印服务商——让桌面打印机也能打出“可抗-196 °C”的超韧零件；