背景介绍
近年来，可降解的生物基材料被视为替代传统塑料的理想选择。纤维素凭借其天然可再生、可降解的特性脱颖而出，但它在紫外线防护、阻燃等方面的短板制约了其广泛应用。而木质素凭借其独特的分子结构，恰好能弥补纤维素性能的不足。它不仅赋予材料出色的耐热性和抗氧化能力，还能有效阻挡紫外线。将两者结合，既能提升材料性能，又保持了环境友好特性。本文综述了该材料的最新进展，重点分析木质素对阻燃、紫外屏蔽等性能的影响机制，并探讨面临的挑战与机遇，为开发高性能生物基材料提供参考。
文章亮点
1. 创新性地分析了木质素增强纤维素基复合材料性能的研究进展；
2. 重点揭示了木质素芳香结构与活性官能团对纤维素基材料阻燃、抗紫外及抗氧化性能的协同增强机制，为多功能材料设计提供了理论依据，涵盖了近5年突破性研究；
3. 同时指出木质素-纤维素复合材料是突破纤维素基复合材料性能的研究突破口。
内容介绍
1 木质素的结构及其分类
目前工业木质素的高值化利用率较低，超过95%的工业木质素作为低值燃料直接燃烧处理，对环境造成了额外的碳排放压力[12, 14, 33]。这种低利用率主要源于木质复杂的化学结构（图2）。研究表明，不同制浆工艺会显著影响所得木质素中关键官能团（如酚羟基、羧基和磺酸根基团）的相对含量和分布。根据制浆工艺的差异，分离得到的工业木质素一般分为硫酸盐木质素、磺酸盐木质素、有机溶剂木质素和碱木质素[12, 14, 34]。
2 纤维素的结构及其来源
纤维素是一种由β-D-吡喃葡萄糖单元通过β-1,4-糖苷键共价连接而成的天然高分子聚合物，广泛分布于天然纤维（苎麻、棉纤维）、农业废弃物以及木质纤维素生物质等多种可再生资源中[3]。这种丰富的自然资源储备和独特的分子结构使纤维素在生物基材料开发和绿色化学领域具有重要的战略地位，为可持续资源利用提供了关键物质基础[13, 37, 38]。
3 木质素作为绿色添加剂在纤维素中的应用
3.1 木质素对纤维素基材料阻燃性的影响及其应用
木质素因其独特的芳香族结构（富含-PhOH、甲氧基及共轭芳环）展现出优异的阻燃性能，成为纤维素基材料的理想阻燃添加剂[12]。基于此，Zhang等[41]以木质素和纤维素为原料，采用溶剂流延工艺成功制备了木质素-纤维素复合薄膜（B-PCNFs），该材料不仅具备良好的力学性能，其阻燃性能也得到显著提升（图4a、4b）。除了传统的薄膜材料外，研究人员还在探索其他形式的复合材料。Wang等[42]采用纤维素作为绿色粘合剂，开发了一种基于离子液体溶解-去离子水再生的简易工艺，实现了纤维素与木质素在微纳尺的自组装。所得气凝胶表现出优异的力学性能、高效吸声特性和出色的隔热性能（图4c）。该研究为木质素的高值化利用开辟了新途径。Ye等[39]采用三元低共熔溶剂（TDES）预处理技术，通过加入木质素（Lignin-SP）使纳米复合薄膜的极限氧指数突破52.5%，显著提升了复合材料的阻燃性能，符合难燃材料标准（图4d）。同时，该材料还兼具优异的力学性能（152.3 MPa）和紫外屏蔽性能（>98.9%）。这些研究不仅证实了木质素在提升纤维素基材料阻燃性能方面的关键作用，更为开发新型可持续功能材料提供了重要的技术参考。
3.2 木质素对纤维素基材料抗紫外性的影响及其应用
3.3 木质素对纤维素基材料抗氧化性的影响及其应用
木质素分子中含有大量芳香环结构和丰富的极性基团（如-PhOH和甲氧基等），这些官能团可以与DPPH的单电子配对，从而有效延缓或阻止自由基等氧化物诱导的氧化过程[32]。Li等[48]的研究揭示了木质素纳米颗粒（LNPs）清除DPPH自由基的机理（图6）：LNPs通过电子转移机制，将电子传递给DPPH·，同时DPPH·获得一个电子形成DPPH。在应用研究方面，Riaz等[20] 将椰枣树叶提取的木质素与羧甲基纤维素（CMC）复合，不仅提高了薄膜的力学性能，还显著增强了其抗氧化能力。Zhu等[49]将3种预处理木质素掺入羧甲基纤维素膜中，研究表明所制备的薄膜具有优异的紫外线（UV）屏蔽能力、水蒸气阻隔性能、疏水性、热稳定性、抗菌性和抗氧化性。其中，对紫外线的屏蔽率为100%，对DPPH自由基和ABTS自由基的清除率分别为99.5%和54.2%。此外，An等[50] 基于Diels-Alder反应开发的新型可再生共聚物，既保持了纤维素纳米晶（CNCs）的机械强度，又保留了木质素的天然抗氧化活性。这些研究不仅阐明了木质素活性基团与材料性能的关系，更为开发高性能生物基包装材料提供了新的技术路径。
3.4 木质素对纤维素基材料抗菌性的影响及其应用
4 结论
木质素-纤维素复合材料凭借其独特的性能优势和可持续特性，在包装、建筑、电子器件等高端应用领域展现出广阔的发展前景。研究表明，木质素分子中的芳香结构和活性官能团是赋予材料多功能性的关键因素，本文根据近年来的研究成果，系统综述了木质素对纤维素基材料阻燃性、抗紫外性和抗氧化性等关键性能的影响机制。
通讯作者介绍
李德强
个人简介
副教授，入选自治区天山英才计划第三期培育人选，新疆天物生态环保股份有限公司长聘技术带头人、CleanMat期刊青年编委。近年来，主持并参与国家级和省部级项目多项，在Sci. Adv., Carbohyd. Polym.、Int. J. Biol. Macromol.等杂志发表论文70余篇，他引1900余次，入选ESI高被引论文2篇，H-index为24，授权发明专利4项，受邀参编Elsevier出版社专著3部。
主要研究方向
生物大分子高值化应用、生物医用材料、土壤改良
近五年代表作
1. 木质素-纤维素多功能性复合材料的研究进展, 化学试剂, 2025
2. Chitosan composite films with high-content technical alkali lignin，Int. J. Biol. Macromol., 2025.
3. Aldehyde group pendant-grafted pectin-based injectable hydrogel，Int. J. Biol. Macromol., 2024（ESI高被引）
4. Acylhydrazone-derived whole pectin-based hydrogel as an injectable drug delivery system，Int. J. Biol. Macromol., 2023.
Dopamine-functionalized pectin-based Pickering emulsion as an oral drug delivery system，Colloid. Surface A, 2023.
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