夜雨聆风
【绿色可持续】南京林业大学夏常磊教授 AFM:从蟹壳到循环可持续闭环,一种水响应型生物质纸张
研究以蟹壳为原料制成可循环打印的甲壳素纸，利用水响应脱墨机制，实现1分钟快速脱墨和10次以上循环使用，兼具高性能与生物降解性。
南京林业大学夏常磊教授该研究利用蟹壳为原料，通过简单的“提纯-搅拌-干燥”工艺制备出具有微纳双重网络结构的甲壳素纸，其干/湿拉伸强度远超传统纤维素纸，且兼容商用激光打印，打印质量清晰。其核心创新在于水响应脱墨机制：浸水后纤维水合膨胀与静电排斥破坏墨粉结合，经1分钟超声清洗即可快速脱墨，实现“打印-脱墨-再打印”循环，重复使用10次以上后力学性能保留率达80%，白度几乎无衰减。该回收过程仅需“浸水-超声-晾干”三步，能耗低且2个月内可完全生物降解，为可持续纸张设计和海鲜废弃物资源化利用提供了新路径。
相关成果以“Transformation of Crab Shells Into Sustainable Water-Responsive Re-Printable Paper” 为题发表在《Advanced Functional Materials》上。
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背景介绍
纤维素基纸张虽推动了人类文明进步，但也带来了沉重的环境负担：全球造纸业贡献了 1%~2% 的碳排放，约 42% 的工业废水来自造纸过程，且大量砍伐森林导致生态破坏。为实现碳中和目标，纸张回收技术不断发展，但常规回收需经历收集分拣、碎浆、脱墨、重制等多个复杂步骤，能耗与水耗极高，且回收后的纸张力学性能与白度显著下降，通常仅能回收 2~3 次。
近年来，“可脱墨” 概念应运而生，旨在无需碎浆即可实现油墨去除，让纸张直接重复使用。现有脱墨技术主要包括：刺激响应型变色油墨（依赖专用油墨，成本高、颜色单一）、激光 / 溶剂脱墨（损伤纸张或存在环保风险）、功能化基材（如花粉、软木基纸张，白度不足、难以规模化）。这些技术均存在明显局限，难以实现 “低成本、高兼容性、环保可持续” 的实际应用需求。
甲壳素作为自然界中含量第二丰富的天然聚合物，广泛存在于蟹壳、虾壳等甲壳类废弃物中，全球每年产生约 800 万吨相关废弃物，却大多被丢弃未被有效利用。甲壳素分子结构中含有的乙酰氨基使其具备良好的水稳定性与氢键作用，但其在造纸领域的应用尚未被充分开发。因此，利用甲壳素制备可重复打印、环境友好的新型纸张，不仅能解决传统纸张的环保问题，还能实现海鲜废弃物的资源化利用，具有重要的科学价值与应用前景。
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文章摘要
该研究以蟹壳为原料，通过简单的 “提纯 – 搅拌 – 干燥” 工艺制备出具有微纳双重网络结构的甲壳素纸，实现了 “打印 – 脱墨 – 再打印” 的循环使用。甲壳素纸展现出优异的综合性能：干态拉伸强度达 67.9 mPa，湿态拉伸强度为 9.7 mPa，远超传统纤维素纸；可兼容商用激光打印机，打印质量清晰、色彩饱和，且具备良好的柔韧性与折叠性。其核心创新在于水响应脱墨机制：甲壳素分子链上的氨基质子化后使纤维带正电，浸水后纤维发生水合膨胀与静电排斥，导致表面形貌改变，破坏墨粉与基材的物理结合，经超声清洗即可快速脱墨，脱墨过程仅需 1 分钟。该甲壳素纸可重复使用 10 次以上，力学性能保留率达 80%，白度几乎无衰减。此外，其回收流程仅需 “浸水 – 超声 – 晾干” 三步，能耗显著低于传统纸张回收，且在土壤中 2 个月即可完全生物降解。该研究为可持续纸张的设计与海鲜废弃物的资源化利用提供了全新路径。
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文章内容
图1. 甲壳素纸的循环使用原理与性能对比
图2. 甲壳素纸的制备工艺与打印性能
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总结展望
本研究以海鲜废弃物蟹壳为原料，通过简单温和的工艺制备出具有微纳双重网络结构的甲壳素纸，实现了 “打印 – 脱墨 – 再打印” 的循环使用，核心突破在于：一是开发了低成本规模化制备工艺，无需复杂设备，可制备大面积甲壳素纸，原料源于废弃物，实现资源化利用；二是揭示了水响应脱墨机制，利用甲壳素的表面电荷与水合膨胀特性，实现墨粉高效去除，脱墨过程环保无损伤；三是实现了优异的综合性能，力学强度、打印质量、柔韧性均能满足实际使用需求，可重复使用 10 次以上；四是构建了全生命周期可持续体系，回收流程简单、能耗低，且天然可生物降解，彻底解决了传统纸张的环境痛点。
尽管取得显著进展，研究仍存在一定局限性：甲壳素纤维长度较短，导致其柔韧性与撕裂强度略逊于传统纤维素纸；甲壳素纸的生产成本目前高于纤维素纸，规模化生产工艺仍需优化。
未来，团队将聚焦三方面优化：一是通过纤维改性、交联等方式提升甲壳素纸的柔韧性与撕裂强度；二是优化制备工艺，降低生产成本，推动工业化生产；三是拓展应用场景，如开发可降解包装材料、绿色电子基材等。该研究不仅为可持续纸张的设计提供了新思路，还为甲壳素等天然聚合物的高值化利用开辟了新路径，有望推动造纸业向 “资源循环、环境友好” 的方向转型，为实现碳中和目标提供重要支撑。
Suiyi Li, Weiqiang Chen, Yalan Fang, el at. Transformation of Crab Shells Into Sustainable Water-Responsive Re-Printable Paper, Advanced Functional Materials, 2026; 0:e27366.
https://doi.org/10.1002/adfm.202527366
内容信息
封面：文章插图
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