报告标题：基于溶解-再生策略制备水性复合膜的研究——来自《Composites Part B: Engineering》期刊的最新研究
摘要： 本文由张丽佳、黄勇和吴敏等研究人员完成，发表在2024年4月1日的《Composites Part B: Engineering》期刊上，文章编号为111285。研究主要围绕利用溶解-再生策略制备高湿强度、透光率高且雾度可调的水性复合膜（以纤维素I和纤维素II为基础）展开，提出了改进纳米纤维素膜湿强度的创新方法。本研究具有较高的学术和应用价值，尤其在包装材料及电子设备领域的潜在应用方面。
纳米纤维素膜因其优异的可降解性、可再生性和高强度等特性，近年来在各类应用中受到广泛关注。然而，纤维素表面丰富的羟基使其具有较强的亲水性，并且纤维之间存在显著的毛细效应，这使得纳米纤维素膜在接触水分后强度显著下降，严重制约了其在水环境中的应用。因此，如何有效改善纳米纤维素膜的湿强度，成为了研究的热点问题。
本研究的目标是通过采用溶解-再生策略，改善纳米纤维素膜的水湿强度和光学性能，突破传统湿强度改善方法的局限性。具体而言，研究团队通过ZnCl₂（氯化锌）处理，成功将纤维素膜的表面转变为疏水性，减少水分的渗透，同时保持膜的内部结构，从而提高其在湿润环境中的强度。
本研究的实验设计包含多个步骤，研究人员首先通过球磨法（Ball milling）处理硬木浆，制备出纳米纤维素溶液，之后采用ZnCl₂溶液对纳米纤维素膜的表面进行处理。具体的研究流程如下：
硬木浆被分散在去离子水中，制成浓度为2.0 wt%的分散液。接着，通过球磨法处理，将纤维素的直径缩小至纳米级别（20-50 nm），增加其比表面积和密度。经此处理后的纳米纤维素膜密度显著提高，形成了更加紧密的纤维网络结构。
采用ZnCl₂溶液对制备好的纳米纤维素膜进行表面处理。ZnCl₂的作用是通过部分溶解纤维素表面，将纤维素表面转变为纤维素II型（regenerated cellulose），并使膜表面变得疏水。这一过程通过将膜浸泡在ZnCl₂水合物溶液中，短时间处理后再用乙醇洗涤，最后将膜干燥至恒重，完成膜的再生处理。
为了评估ZnCl₂处理对膜性能的影响，研究人员进行了多项实验，涵盖了力学性能测试、光学性能测试、表面形态观察等方面。干湿状态下的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率均进行了详细测试。同时，通过紫外-可见光分光光度计（UV-vis-NIR）测量了膜的光透过率，采用扫描电镜（SEM）观察膜的表面形态变化，使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）分析了膜的化学和晶体结构。
研究结果表明，经过ZnCl₂处理后的纳米纤维素膜在湿强度、光透过率和雾度方面都有显著提升。
ZnCl₂处理后的纳米纤维素膜在干态下的拉伸强度有所增加，但主要的性能改进发生在湿态下。未经处理的纸张湿强度仅为0.28 MPa，而ZnCl₂处理后的纳米纤维素膜湿强度最大可达到31.7 MPa，这一数值远超未处理膜的湿强度，是其干强度的10至15倍。这一变化表明，ZnCl₂表面处理有效地增强了膜的湿强度。
光透过率是衡量膜透明度的重要指标。在干态下，ZnCl₂处理并未显著影响膜的透光率，光透过率保持在80%至91%之间，说明该处理方法在改善湿强度的同时，未损害膜的光学性能。膜的雾度也能够在一定范围内进行调节，从50%至90%，为实际应用提供了更大的灵活性。
扫描电镜（SEM）分析表明，ZnCl₂处理使得膜的表面由原先的纤维交错结构转变为更加光滑的表面。这一变化有效减少了膜表面的粗糙度，进而降低了光散射，改善了膜的光学性能。此外，FTIR和XRD分析表明，ZnCl₂处理后膜的晶体结构发生了变化，部分纤维素I转化为纤维素II，这有助于增强膜的水阻力。
水吸收率和水接触角的变化也是评价膜水性性能的重要指标。未处理的纸张吸水率为340%，而经过ZnCl₂处理的纳米纤维素膜的水吸收率显著下降至50-60%。同时，水接触角由未处理膜的43°-58°增加至约100°，表现出良好的疏水性，这也解释了为何膜在水中的强度得到了显著提升。
本研究提出了一种简单且高效的溶解-再生策略，通过ZnCl₂表面处理显著改善了纳米纤维素膜的湿强度和光学性能。这一研究不仅为纳米纤维素膜的应用提供了新的技术路径，还拓宽了其在湿润环境中的应用前景，特别是在包装材料、电子设备和医疗领域中的潜在应用。
本研究为纳米纤维素膜的水性和机械性能改善提供了新的思路，并为未来开发绿色、可降解的包装材料提供了有力的支持。