学术研究报告：纤维素/聚间苯二甲酰间苯二胺（PMIA）光管理薄膜的高抗紫外与可调雾度性能研究

一、作者与发表信息
本研究由齐鲁工业大学（山东省科学院）生物基材料与绿色造纸国家重点实验室的Guangmei Xia、Xiaoqian Ji、Jianfeng Peng及Xingxiang Ji*共同完成，成果发表于ACS Applied Polymer Materials期刊（2022年10月13日，第4卷第11期，页码8407–8417）。通讯作者为Guangmei Xia和Xingxiang Ji。

二、学术背景
光管理薄膜在光伏、光催化、柔性电子器件及节能建筑等领域具有重要应用，传统石油基聚合物薄膜存在不可降解、环境污染等问题。纤维素作为可再生、可降解材料，其纳米晶体（CNCs）或纳米纤维（CNFs）虽能制备透明薄膜，但存在抗紫外性能不足、制备工艺复杂等缺陷。本研究旨在开发一种兼具高透明度、可调雾度、优异抗紫外性能且适合大规模生产的纤维素基光管理薄膜，通过引入聚间苯二甲酰间苯二胺（PMIA）实现性能优化。

三、研究流程与方法
1. 材料制备
- 原料处理：棉浆粕（CPS）溶解于离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐（AMIMCl），PMIA短纤维经表面清洗后溶于LiCl/DMAC混合溶剂。
- 溶液混合：将PMIA溶液按不同比例（0%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%）与纤维素溶液混合，通过搅拌和脱泡获得均质溶液。
- 薄膜成型：采用刮涂法形成液层，经相转化（去离子水凝固浴）和甘油塑化后干燥，得到纤维素/PMIA复合薄膜（标记为C-xPMIA，x为PMIA含量）。

1. 表征与测试

   • 形貌分析：SEM观察薄膜表面和截面形貌，EDS验证PMIA的均匀分布。
     
   • 化学结构：ATR-FTIR和XPS分析氢键相互作用，XRD表征晶体结构转变（纤维素I→II相）。
     
   • 力学性能：拉伸测试（ASTM D-882标准）测定断裂伸长率和拉伸强度。
     
   • 光学性能：紫外-可见光谱（UV-2600系统）测试透光率、雾度及UV屏蔽率（UVA、UVB）。
     
   • 热稳定性：热重分析（TGA）评估薄膜耐热性。
     

2. 创新方法

   • 绿色溶剂体系：采用AMIMCl和LiCl/DMAC共溶剂实现纤维素与PMIA的均相溶解，避免传统纳米纤维素制备的苛刻条件。
     
   • 原位氢键增强：PMIA的酰胺基与纤维素羟基形成氢键网络，提升力学性能。
     

四、主要结果
1. 光学性能
- 所有薄膜可见光区透光率>78%，雾度随PMIA含量增加从14%升至55%（C-5.0PMIA）。
- UV屏蔽性能显著：C-2.0PMIA的UVA和UVB值分别为57.23%和2.87%，C-5.0PMIA在200–330 nm波段透光率<10%。

1. 力学性能

   • C-3.0PMIA的拉伸强度达55.90 MPa（较纯纤维素膜提升22%），断裂伸长率23.78%。
     
   • 氢键作用抑制纤维素链刚性，提升柔韧性（C-2.0PMIA断裂功960 kJ/m³）。
     

2. 稳定性

   • 薄膜在365 nm紫外照射6小时后性能稳定，无显著透光率下降。
     
   • TGA显示分解温度>270°C，满足高温应用需求。
     

五、结论与价值
本研究通过简易混合法制备的纤维素/PMIA复合薄膜，兼具高透明度、可调雾度、优异抗紫外性和力学性能，其绿色工艺适合工业化生产。科学价值在于揭示了PMIA与纤维素氢键作用的增强机制；应用价值体现在柔性显示器件和节能建筑（如智能窗户涂层）领域，可替代不可降解的石油基材料。

六、研究亮点
1. 性能协同优化：首次实现纤维素薄膜抗紫外与可调雾度的统一，突破传统纳米纤维素薄膜性能局限。
2. 工艺创新：溶剂兼容性设计避免相分离，简化大规模生产流程。
3. 多尺度表征：结合SEM、EDS、XPS等手段全面解析材料结构与性能关系。

七、其他发现
薄膜可通过卷曲、折叠展示优异柔性（如折纸风车、千纸鹤形态），证实其适用于柔性电子基底。此外，连续生产线设计（图7a）为产业化提供直接参考。