学术研究报告：可熔融加工的纤维素纤维工程化替代石油基热塑性塑料
第一作者及机构
本研究由Giada Lo Re（通讯作者）与Per A. Larsson（共同通讯作者）领衔，合作作者包括Emile R. Engel、Linnea Björn等，研究团队来自瑞典皇家理工学院（KTH）、瑞士保罗谢勒研究所（Paul Scherrer Institute）等机构。论文发表于Chemical Engineering Journal（Volume 458, 15 February 2023），标题为《Melt processable cellulose fibres engineered for replacing oil-based thermoplastics》。
学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于生物基材料与可持续工程领域，聚焦纤维素材料的改性及加工技术。
研究动机：全球塑料污染问题严峻（预计2050年累积量达120亿吨），亟需开发可降解的替代材料。纤维素作为地球上最丰富的生物聚合物（biopolymer），具有可再生、可降解和高刚度等优势，但其固有缺陷（如脆性、透气性、难三维成型）限制了其在工业中的应用。
核心目标：通过化学改性开发可熔融加工（melt-processable）的纤维素纤维，实现高纤维素含量（最高100%）的复合材料在常规挤出（extrusion）和注塑成型（injection moulding）中的应用，替代石油基热塑性塑料（oil-based thermoplastics）。
研究流程与方法
1. 纤维素纤维化学改性
- 研究对象：漂白软木硫酸盐浆纤维（bleached softwood kraft fibres），通过高碘酸钠（sodium periodate）氧化和硼氢化钠（sodium borohydride）还原，部分转化为二醇纤维素（dialcohol cellulose）。
- 改性程度：设计不同氧化时间（16–32小时）和反应规模（实验室克级与工业公斤级），获得醛基含量3.7–6.2 mmol/g的改性纤维（对应改性度32%–55%）。
- 创新点：通过控制反应条件（如温度、浓度）优化化学效率，降低高碘酸盐消耗成本。
2. 熔融加工与复合材料制备
- 加工设备：使用微型双螺杆挤出机（Xplore Instruments MC 5）和注塑机（Haake Minijet Pro）。
- 工艺参数：
- 温度：80–120°C（避免纤维素降解）。
- 水分辅助：通过调节湿度（>90% RH）引入水作为增塑剂（plasticizer），降低熔体粘度。
- 复合材料配比：改性纤维与乙烯-丙烯酸共聚物（EAA）混合，纤维含量10%–100%。
- 工业验证：在试点工厂注塑成型80%纤维含量的瓶盖（bottle caps）。
3. 材料表征与性能测试
- 形貌分析：
- 扫描电镜（SEM）：验证纤维在EAA基质中的均匀分散，无界面剥离（debonding）。
- X射线断层扫描（X-ray tomography）：显示注塑样品中纤维的均质分布（图3a–d）。
- 结构取向：
- 广角同步辐射X射线散射（WAXS）：量化纤维素与EAA的取向度，发现高纤维含量（>50%）促进纤维素沿流动方向排列（图4）。
- 力学性能：
- 拉伸测试：70%纤维含量的复合材料杨氏模量达3.21 GPa，但断裂伸长率降至5.3%（图2b）。
- 动态力学分析（DMTA）：纤维含量增加导致玻璃化转变温度（Tg）升高，表明纤维网络限制聚合物链运动。
- 阻隔性能：80%纤维瓶盖的氧气透过率（OTR）低于20 cm³·mm/(m²·atm·day)，优于低密度聚乙烯（LDPE）（图2d）。
主要研究结果
- 熔融加工可行性：改性纤维素纤维（如fibre55）在水分辅助下可实现100%熔融挤出，突破传统纤维素无法热成型的限制。
- 界面增强机制：EAA与改性纤维的强界面粘附（adhesion）导致力学性能超线性增长（super-linear strengthening）（图S2）。
- 工业应用验证：80%纤维瓶盖的注塑成型证明其规模化潜力，且阻氧性能优于石油基塑料。
结论与价值
科学意义：
- 首次实现高纤维素含量（100%）材料的熔融加工，揭示了水分增塑与化学改性协同作用机制。
- 通过WAXS和X射线断层扫描阐明了纤维-基质相互作用对材料性能的影响规律。
应用价值：
- 为包装、汽车部件等需复杂三维成型的领域提供可持续替代方案。
- 改性纤维可依托现有造纸工业基础设施生产，降低产业化门槛。
研究亮点
- 方法创新：开发了水辅助熔融加工工艺，避免有机溶剂使用，符合绿色化学原则。
- 材料性能突破：纤维含量达80%的复合材料兼具高刚度（>3 GPa）和优异阻隔性。
- 跨尺度表征：结合SEM、X射线断层扫描和WAXS，多尺度解析材料结构-性能关系。
其他价值：
- 提出高碘酸盐电化学再生方案，降低改性成本（附录A）。
- 为纤维素基热塑性材料的回收（如再溶胀性）提供新思路（图S5b）。
（全文约2000字）