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研究作者及机构
本研究由Giada Lo Re、Emile R. Engel、Linnea Björn、Manuel Guizar Sicairos、Marianne Liebi、Jan Wahlberg、Katarina Jonasson和Per A. Larsson等作者共同完成。研究发表于《Chemical Engineering Journal》期刊，2023年2月15日出版，卷号为458，文章编号为141372。

学术背景
本研究的主要科学领域是材料科学与化学工程，特别是纤维素基材料的开发与应用。随着全球塑料污染的日益严重，开发可持续、可生物降解的材料以替代石油基塑料成为迫切需求。纤维素作为地球上最丰富的生物聚合物，具有可再生、可降解等优点，但其固有的脆性、对气体和水蒸气的渗透性以及难以进行三维成型等局限性限制了其广泛应用。因此，本研究旨在通过化学改性纤维素纤维，使其能够通过熔融加工技术（如挤出和注塑成型）制备复杂三维形状的高密度材料，从而扩展纤维素材料的应用范围。

研究流程
研究流程主要包括以下几个步骤：
1. 纤维素纤维的化学改性：
研究使用漂白软木硫酸盐纤维，通过高碘酸钠氧化和硼氢化钠还原的步骤，将纤维素部分转化为二醇纤维素（dialcohol cellulose）。改性后的纤维具有更高的延展性和热塑性，且水分含量对其塑化效果有显著影响。
2. 熔融加工：
改性后的纤维与乙烯丙烯酸共聚物（EAA）混合，通过微型双螺杆挤出机进行熔融加工。研究还探索了在不添加EAA的情况下，仅通过水分作为塑化剂进行熔融加工的可行性。加工温度范围为80°C至120°C，挤出后的材料通过注塑成型制备测试样品。
3. 形态与结构分析：
使用扫描电子显微镜（SEM）和X射线断层扫描（X-ray tomography）对材料的形态进行分析，评估纤维在基体中的分布和均匀性。
4. 广角X射线散射（WAXS）分析：
通过WAXS技术研究注塑成型样品中纤维的取向和均匀性，分析纤维与基体之间的相互作用。
5. 热分析与机械性能测试：
通过热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）评估材料的热稳定性。机械性能测试包括拉伸测试和动态机械热分析（DMTA），以评估材料的强度、模量和延展性。
6. 工业应用验证：
作为工业应用的验证，研究使用80%改性纤维和20%EAA的复合材料注塑成型瓶盖，并测试其氧气透过率（OTR），评估其作为包装材料的潜力。

主要结果
1. 化学改性纤维的性能：
改性后的纤维表现出更高的延展性和热塑性，水分含量显著降低了其玻璃化转变温度（Tg），使其能够在较低温度下进行熔融加工。
2. 熔融加工性能：
研究发现，改性纤维在EAA基体中的含量越高，材料的粘度越大，但纤维在基体中的分布仍然均匀，未出现纤维聚集或脱粘现象。在不添加EAA的情况下，仅通过水分作为塑化剂，改性纤维也能成功进行熔融加工。
3. 形态与结构分析结果：
SEM和X射线断层扫描显示，纤维在基体中分布均匀，未出现明显的纤维断裂或脱粘。WAXS分析表明，高纤维含量的样品中纤维的取向度更高，表明纤维在加工过程中能够更好地沿流动方向排列。
4. 热分析与机械性能：
TGA和DSC结果显示，改性纤维与EAA基体之间具有良好的相容性，材料的机械性能随纤维含量的增加而显著提高。拉伸测试显示，高纤维含量的材料具有较高的模量和强度，但延展性降低。
5. 工业应用验证：
注塑成型的瓶盖表现出优异的气体阻隔性能，其氧气透过率显著低于低密度聚乙烯（LDPE），表明其在包装领域具有潜在应用价值。

结论
本研究通过化学改性纤维素纤维，成功实现了高纤维含量复合材料的熔融加工，并展示了其在复杂三维形状制品中的应用潜力。研究结果表明，改性纤维与EAA基体之间具有良好的相容性，且水分作为塑化剂能够显著降低加工温度。这一发现为纤维素基材料的广泛应用提供了新的可能性，特别是在替代石油基塑料的可持续材料领域。

研究亮点
1. 创新性方法：
本研究首次实现了高纤维含量纤维素复合材料的熔融加工，突破了传统纤维素材料在三维成型中的局限性。
2. 工业应用潜力：
通过注塑成型制备的瓶盖展示了改性纤维素材料在包装领域的应用潜力，其气体阻隔性能优于传统塑料。
3. 可持续性：
研究采用的水分辅助熔融加工方法避免了有机溶剂的使用，具有环境友好性，符合可持续生产的需求。

其他有价值的内容
研究还探讨了改性纤维的回收潜力，发现经过熔融加工的纤维在浸泡水中后能够重新膨胀，表明其具有可回收性。此外，研究提出了高碘酸钠的再生方法，进一步降低了化学改性的成本，为大规模生产提供了可行性。

这篇报告详细介绍了研究的背景、方法、结果和意义，为读者提供了全面的学术视角。