中国科学院化学研究所 张军研究员：从底层原理上深刻理解纤维素

张 军  中国科学院化学研究所 研究员

纤维素是自然界中产量最丰富的天然高分子，因其不能熔化、难以溶解，传统的粘胶法生产工艺能耗高、污染重，极大限制了这一行业的发展，也限制了纤维素膜产品的广泛使用。近年来，中国科学院化学研究所研究员张军和团队在离子液体新溶剂溶解纤维素方面取得突破，为纤维素材料的加工和功能化提供了一个绿色、高效和多用途的应用平台。一步又一步学术前沿和应用技术的进展，是张军和团队不断地从底层原理上深刻理解了纤维素的结果。

《元科技生态》：您和团队研发的新型溶剂离子液体对纤维素的发展至关重要，模块化设计与合成多功能纤维素材料的新概念，让功能性纤维素新材料具有了阻燃、热塑性、固态荧光、环境响应以及手性识别等性能，这些新型纤维素材料在薄膜、气凝胶、功能化涂层等领域的应用情况怎么样？

张 军：我们团队的主攻科研方向就是纤维素的绿色加工与功能化的新原理及方法。经过多年努力，我们完成了可高效溶解纤维素的绿色溶剂-离子液体的研发，2011年，我们和山东恒联新材料股份有限公司合作，经过10年的艰苦攻关，在离子液体低成本合成、纤维素溶液的批量制备与输送、制膜以及溶剂回收等一系列关键技术与设备研制方面取得重要突破。2020年1月18日，世界首条采用清洁技术生产纤维素膜的2000吨/年工业生产线顺利投产。实现了从基础研究创新到产业化应用的跨越。

生物基可降解绿色纤维素膜已经广泛用在食品、医药、农业、互联网与电子商务等领域,有望取代目前使用的、不可降解的塑料制品，摆脱这些膜材料对石油资源的依赖，有效解决白色污染问题。在“禁塑令”全面推行的大背景下，我国环保包装材料市场需求持续攀升，再生纤维素膜作为可再生包装材料市场需求也随之增长。

另外，我们还开发了多种功能化的纤维素新材料，如阻燃、热塑性、固态荧光、环境响应以及手性识别等，比如我们最近发展的新型比率型胺响应的纤维素基荧光材料，并基于此提出了可视化监测海鲜食品新鲜度变化的方法，实现了快速、准确、实时地对包装容器中胺浓度进行可视化监测的目的。

《元科技生态》：您和团队完成了纤维素膜清洁生产产业化项目，请问目前的市场推进情况如何？过程中遇到哪些问题？

张 军：目前我们开发的纤维素膜清洁生产新技术正在生产，同时也在优化工艺和技术，目前正在考虑上新的生产线，扩大产能。纤维素基透明胶带是我们的合作企业正在开发的一个重要产品，主要为快递物流公司提供这种环保概念的胶带。国内快递业发展迅猛，快递包装的污染逐渐显现。普通胶带主要材质是聚丙烯，不能生物降解。国家发展改革委近日发布的《禁止、限制生产、销售和使用的塑料制品目录（征求意见稿）》中，快递封装使用的不可降解塑料胶带明确列入禁止使用范围。

我们研制的纤维素基透明胶带的生物降解性是非常好的，生物降解性能优于PLA、PBAT等合成生物基塑料。纤维素膜在一般的土壤和垃圾堆环境，通常的温度湿度条件下，能在几周到数月之内很快被微生物自然降解掉，不需要特殊的堆肥和催化条件，完全符合快递行业绿色发展的需求。目前已经在几家头部物流公司包括中国邮政完成试用，用于他们讲求环保理念的少量高端客户，产品质量及性能都并得到了用户的肯定。另外，我们在欧洲也获得了少量的订单。

与其他可降解塑料制品面临同样的困境，就是目前我们开发的这款纤维素胶带也存在成本偏高的问题。快递行业对价格很敏感，胶带作为耗材，用量非常大。如果让物流公司承担高出普通胶带两到三倍的成本也是有难度的。

目前的成本问题，并不是技术或工艺上存在很大障碍。主要还是因为产量过小，缺乏规模效应。如果产量增大，成本必然会下降。但在政策没有正式实施前，市场存在不确定性，企业也很纠结，不敢冒然扩产。在混沌阶段，我们能做的就是不断优化我们的技术，期待未来能够在快递物流行业有广泛的应用前景。

《元科技生态》：生物基材料替代化石资源是国家战略性研究方向。纤维素膜清洁生产新工艺项目的延伸和发展，为生物质资源的加工利用带来了哪些新的契机？

张 军：聚烯烃塑料膜的性能良好，是目前使用量最为广泛的材料。但人们公认聚烯烃塑料膜产品的滥用是目前“白色污染”的罪魁祸首。

我国每年产生7,8亿吨的农业秸秆，秸秆高效利用是个世界性难题，目前的秸秆焚烧发电、秸秆粉碎还田、秸秆制乙醇等技术均缺乏经济性，没有政府补贴很难持续。秸秆是低能量密度物质。我们希望通过持续研究，开发新一代生产技术，把秸秆等来自大自然的原料“变废为宝”，开发出高附加值的产品。

其实，纤维素膜的应用需求在不断被挖掘。比如我们非常熟悉且经常喝水使用的一次性纸杯，是在纸上淋膜聚乙烯制成的，但目前欧洲和北美很多国家已经出台相关规定禁止使用淋膜聚乙烯的纸杯。有一些企业就希望和我们一起开发涂覆纤维素衍生物的纸杯材料。

以小见大。从这个小众的应用需求，我们会发现可降解的生物基包装材料的广泛使用一定是未来的一种趋势，具有广阔的市场前景。

  《元科技生态》：全球对生物基材料的需求是不断增加的，但与现有低成本的石油基产品竞争的影响，短期内无法达到规模化应用。您如何看待这一现象？如何预判生物基材料的未来？

张 军：大品种的石油基塑料，如聚烯烃，价格便宜，使用性能优良，但不能生物降解，是目前我们熟知的白色污染的主要来源。谈到治理白色污染的问题，我还是比较认同已知最有效的几种方法，就是对石油基化学制品的减量使用、回收利用、重复使用、源头减量等措施。使用生物可降解塑料也是解决塑料白色污染问题的举措之一。我们生产、生活中的很多一次性塑料制品，如购物袋、快餐盒、农用地膜等，几乎无法回收，或者是没有回收价值。因此，作为一次性使用的包装膜材料和农用地膜材料是迫切需要使用可生物降解材料的。

我们前段时间参加了一个国家重点研发计划课题的研究，是关于废旧纺织品回收与利用的。浙江绍兴有一家公司也是我们这个课题的参加单位，他们采用化学法处理废旧涤纶纤维生产再生涤纶纤维，他们的主要客户均为国际知名服装公司，取得了不错的经济效益。循环再利用就是纺织工业绿色发展的组成部分，也是废旧纺织品综合利用的主要方向之一。这就是一个很好的高分子材料循环再利用的案例。

虽然生物可降解塑料是朝阳行业，但其发展仍将有很长的一段路要走。目前市场上鱼龙混杂，这在任何新产品或新技术的发展初期都是在所难免的。市场看上去都是机会，但我建议企业要更多地关注风险。