本研究由昆明理工大学化学工程学院的韩全清、高新、张恒*、陈克林、彭林才、贾庆民共同完成，研究成果以《Preparation and comparative assessment of regenerated cellulose films from corn (Zea mays) stalk pulp fines in DMAC/LiCl solution》为题，于2019年发表在学术期刊《Carbohydrate Polymers》上。
从学术背景来看，本研究隶属于生物质材料科学和纤维素化学领域。研究的出发点是应对两个关键的现实问题：一是中国森林资源有限，每年需要进口大量木材，而另一方面，每年却产生高达数亿吨的农作物秸秆（如玉米秆）未被有效利用，甚至被不当处置或焚烧，造成资源浪费和环境污染。玉米秆含有约45%的纤维素，是一个巨大的潜在纤维素资源库。然而，传统的玉米秆化学制浆造纸面临一个挑战：玉米秆髓部含有大量薄壁细胞（非纤维细胞），这些细胞在造纸过程中会堵塞纸页、降低滤水性和纸张强度，严重损害纸张质量。通常的除髓工艺又存在纤维损伤、环境污染等问题。因此，研究者提出了一个折中且高效的解决方案：在玉米秆全秆制浆后，通过标准筛网将浆料中的细小纤维组分（fines）分离出来。这不仅有望提高剩余浆料的造纸品质，而且分离出的富含薄壁细胞的细小纤维，由于其比表面积大、结晶度相对较低，可能更容易溶解，从而为制备其他生物高分子材料（如再生纤维素薄膜）提供一种新的、有价值的原料。本研究的目标即在于：从玉米秆苏打-蒽醌法浆料中分离出不同尺寸的细小纤维，评估其性质；然后系统地研究这些细小纤维在DMAC/LiCl溶剂体系中的溶解行为，并制备再生纤维素薄膜；最后，综合评价原料细度对薄膜力学性能、光学性能、热稳定性等的影响，探索玉米秆浆细小纤维在高附加值材料领域应用的可能性。
研究的具体工作流程非常系统和详尽，主要包括以下几个核心步骤：
第一，原料准备与化学制浆。 研究以2014年采集自中国云南昆明地区的玉米秆为原料。首先进行苏打-蒽醌法化学制浆，这是在15升实验室旋转蒸煮锅中进行的。具体条件为：活性碱（以NaOH计）用量17%（对绝干原料），蒽醌用量0.05%，液比5:1，最高温度150°C，保温时间90分钟。制浆完成后，对浆料进行筛选、洗涤至滤液呈中性，得到玉米秆浆。此步骤的目的是从原料中大量脱除木质素和半纤维素，得到以纤维素为主的浆料。
第二，浆料细小纤维的多级筛分与分级。 这是本研究的特色预处理步骤。研究者利用一系列标准筛网（筛目分别为120、200、250、350、500目）对玉米秆浆进行逐级筛分。120目筛的主要作用是将较长的纤维与细小纤维初步分离。筛上物（主要为纤维）和筛下物（细小纤维）分别收集。随后，筛下物（细小纤维）继续通过更细的筛网（200至500目）进行精筛，从而得到具有不同粒径分布（120目、200目、250目、350目、500目）的细小纤维样品。每一步筛分后的残留物都被收集并用于后续分析。这种方法实现了对浆料中不同尺寸组分，特别是富含薄壁细胞的细小纤维的有效分离和富集。
第三，细小纤维纤维素的预处理。 为确保后续溶解的是较纯的纤维素，需要对筛分得到的细小纤维进行纯化。过程分为两步：1) 脱木素： 将细小纤维悬浮于水中，加入亚氯酸钠和冰醋酸，在70°C水浴中处理60分钟以脱除残留木质素，该过程重复至少3次，得到综纤维素。2) 脱半纤维素： 将得到的综纤维素用10%氢氧化钾溶液在室温下处理15小时，以除去大部分半纤维素，最终得到用于溶解的纤维素样品。
第四，纤维素的溶解与薄膜再生。 这是材料制备的核心环节。首先，将预处理后的纤维素样品和氯化锂冷冻干燥以去除水分。溶解过程在DMAC/LiCl溶剂体系中进行：先将纤维素样品在DMAC中于110°C下活化搅拌120分钟；然后加入LiCl（相对于DMAC为8% w/v），在100°C下继续搅拌120分钟；停止搅拌后，悬浮液在冰箱中储存至少6小时，逐渐形成凝胶状样品。随后，将透明的纤维素凝胶涂布在聚四氟乙烯板上，在空气中凝固，再浸入4%的甘油水溶液中再生并剥离，最终得到再生纤维素薄膜。所有不同筛目来源的纤维素均按此流程制成薄膜。
第五，全面的表征与分析。 研究对原料、各筛分组分以及最终薄膜进行了多角度、多层次的表征： * 形态与化学分析： 使用纤维质量分析仪和光学显微镜分析玉米秆、浆料及各筛分组分的纤维长度、宽度、细小纤维含量和细胞形态。依据TAPPI等标准方法测定各组分的灰分、苯醇抽提物、纤维素、Klason木质素、聚戊糖含量及聚合度。 * 薄膜性能表征： * 光学性能： 使用紫外-可见光谱仪在800 nm波长下测量薄膜的光学透光率。 * 结晶结构： 使用X射线衍射仪分析纤维素原料和再生薄膜的晶体结构（纤维素I、II型比例），并采用基于分峰面积法计算结晶度指数，而非简单的Segal方法，以提高准确性。 * 热稳定性： 使用热重分析仪在氮气氛围下分析薄膜的热分解行为，获取初始分解温度和最大分解温度。 * 机械性能： 使用拉伸试验机按照ASTM D882-97标准测试薄膜的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率。 * 数据处理： 各项测试均进行多次重复取平均值。XRD图谱使用Jade 6.0软件进行分峰处理以计算结晶度；TG数据使用Proteus软件计算微分热重曲线。
本研究未使用特别新颖的自创设备或算法，但其研究方案设计周密，特别是利用标准筛网对制浆后细小纤维进行精细分级，并将其系统地与溶解性能和最终薄膜性能关联，方法学上具有清晰性和创新性。
研究取得了丰富且具有规律性的结果，各步骤结果环环相扣：
首先，在制浆与筛分环节。 玉米秆苏打-蒽醌法制浆得率为46.83%，卡伯值较低（13.0），表明在温和条件下实现了较好的脱木素效果，且纤维素损伤较小（浆料聚合度454）。筛分结果表明，随着筛目数增大（从120目到500目），筛上残留物中纤维平均长度从0.496 mm显著下降至0.085 mm，而细小纤维含量从30.8%急剧增加至89.0%。更重要的是，分离出的细小纤维的比表面积随筛目增大而显著增加（从7.066 m²/g增至16.879 m²/g）。化学组成分析显示，与长纤维组分相比，细小纤维（尤其是高目数筛分的）含有更多的灰分、抽提物和半纤维素，而纤维素含量和聚合度则更低。这些数据证实了细小纤维（富含薄壁细胞）在化学组成和形态上与传统造纸用纤维存在本质差异，为解释其后续不同的溶解行为奠定了基础——高比表面积和低聚合度预示着更好的可及性和溶解潜力。
其次，在溶解与成膜性方面。 所有筛分得到的纤维素细小纤维均能在DMAC/LiCl体系中形成稳定的溶液。直观观察发现，源自500目细小纤维的溶液流动性最好。再生得到的薄膜均光滑、均匀、透明且柔韧。光学透光率测试数据支持了视觉观察：薄膜透光率随原料细小纤维尺寸减小而逐渐提高（从120目薄膜的77.6%增加到500目薄膜的84.7%）。这表明原料颗粒越小，溶解越充分，再生薄膜内部结构越均一，光散射越少。
第三，结构表征结果。 XRD分析揭示了关键的结构转变：随着原料细小纤维筛目数的提高（尺寸变小），其纤维素原料中纤维素II型的衍射峰逐渐增强，表明小尺寸颗粒在制浆碱处理过程中更容易发生丝光化（从纤维素I型向II型转变）。同时，原料的结晶度指数随颗粒变细而下降（从120目的74.66%降至500目的66.20%）。低结晶度意味着更多的非晶区，有利于溶解。所有再生薄膜均主要呈现纤维素II型结构，且衍射峰宽化，表明再生后结晶度降低，非晶区增加，且这种趋势在由更细小原料制成的薄膜中更为明显。
第四，力学性能结果呈现出非单调的显著变化规律。 薄膜的拉伸强度和杨氏模量随着原料细度从120目增加到300目而逐步增强（拉伸强度从42.78 MPa大幅提升至106.11 MPa，杨氏模量从0.13 GPa增至0.82 GPa）。然而，当使用500目的超细纤维时，薄膜的力学性能急剧下降（拉伸强度降至15.92 MPa，杨氏模量降至0.12 GPa）。断裂伸长率的变化趋势略有不同，但500目薄膜的断裂伸长率也最低（17.24%）。这些数据清晰地表明，原料尺寸并非越小越好，存在一个最优范围（本研究中为200-300目）。
第五，热稳定性分析结果与力学性能趋势一致。 薄膜的热稳定性（以最大分解温度Tmax表征）随着原料细小纤维筛目数的增加（尺寸减小）而逐渐下降，从120目薄膜的329.4°C降至500目薄膜的237.7°C。这归因于小尺寸原料制成的薄膜聚合度更低、纤维状增强成分更少、结晶度也更低。
这些结果逻辑紧密：筛分决定了原料的物理形态（尺寸、比表面积）和内在性质（化学组成、聚合度、结晶结构）。这些性质共同影响了其在溶剂中的溶解状态和溶液性质（如流动性），进而决定了再生过程中高分子链的排列与组装，最终表现为薄膜宏观性能（力学、光学、热学）的差异。特别重要的是，力学和热学性能在500目样品处的骤降，与原料聚合度过低、纤维状组分几乎消失、灰分等杂质含量相对升高等因素直接相关，这为“原料尺寸效应”提供了一个明确的上限临界点。
本研究的结论是：玉米秆浆细小纤维可以被有效分离，并作为DMAC/LiCl溶剂体系中溶解和制备再生纤维素薄膜的优良原料。原料纤维的细度对最终薄膜的性能有决定性影响。在一定的细度范围内（120目至300目），提高原料细度可以改善薄膜的力学强度；但超过限度（如500目），由于纤维素分子量过低、增强性纤维结构缺失，反而会导致薄膜的物理强度和热稳定性显著下降。因此，玉米秆浆细小纤维是一种有潜力的、可替代传统原料的宝贵资源，可用于拓展纤维素的高价值应用。
该研究的价值体现在：科学价值 方面，系统揭示了农业废弃物（玉米秆）中特定组分（浆料细小纤维）的理化特性，深入阐明了原料形态和结构（尺寸、结晶度、聚合度）对其溶解行为及再生材料性能的构效关系，丰富了生物质精炼和纤维素材料改性理论。应用价值 方面，为玉米秆的高值化综合利用开辟了新路径，将造纸工业中视为不利成分的“细小纤维”或“髓渣”转化为制备高性能生物基材料的原料，实现了“变废为宝”，符合绿色化学和可持续发展理念。
本研究的亮点在于：1) 研究思路的创新性： 创造性提出了“制浆后筛分利用细小纤维”的新策略，巧妙地将造纸领域的“问题组分”转化为材料领域的“潜在原料”，选题具有显著的特色和应用导向。2) 系统性的比较研究： 通过精细的多级筛分，获得了系列化、梯度化的样品，使得研究能够系统揭示“原料细度”这一关键参数对溶解过程和最终产品性能的连续影响规律，而非简单的有无对比。3) 重要的发现： 明确了利用玉米秆浆细小纤维制备再生纤维素薄膜时，原料尺寸存在一个最优区间，过细的原料反而有害。这一发现对实际应用具有重要的指导意义，避免了盲目追求超细颗粒可能带来的性能劣化。4) 严谨的表征： 采用了从原料到产品的全链条、多手段表征，数据相互印证，结论可靠。特别是在结晶度分析上采用了更精确的分峰面积法，提升了数据的科学性。
此外，研究中关于不同筛分组分化学组成的差异（如细小纤维灰分、抽提物含量更高）、以及薄膜光学透光率与原料尺寸的负相关关系等细节发现，也为深入理解生物质组分的异质性和材料性能调控提供了有价值的数据参考。