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主要作者及发表信息
该研究由Yang Zhang、Shiqiang Cui、He Liao、Yue Zhang、Yumei Zhang和Huaping Wang共同完成，并于2023年2月15日发表在期刊《Carbohydrate Polymers》（第302卷）上，文章标题为《Poly(butylene succinate)/cellulose composite monofilaments with microelastic response based on interfacial bonding》。

学术背景
该研究属于高分子材料与生物降解材料领域，主要关注生物降解纤维在高级纺织领域的应用。尽管生物降解纤维已被广泛开发，但其实际应用受限于较大的塑性变形问题。为了解决这一问题，研究者开发了一种无溶剂熔融纺丝法，制备了聚丁二酸丁二醇酯（PBS）与微晶纤维素（MCC）复合单丝。MCC的高模量和刚性能够限制PBS的塑性变形，同时MCC与无定形PBS之间的原位氢键改善了MCC的分散性，并形成了刚性的物理交联点。研究的目标是通过设计具有微弹性响应的复合单丝，改善其在使用过程中的尺寸稳定性，并加速废弃后的降解速度。

研究流程
研究分为以下几个步骤：

1. 材料准备

   • 研究使用商业购买的PBS和MCC作为主要材料。PBS的熔体流动指数为14.3 g/10 min，MCC的初始分解温度为260–270°C，长度为5–30 μm，厚度约为5 μm，结晶度为91%。
     
   • 材料在80°C的真空烘箱中干燥12小时，确保水分含量低于60 ppm。

2. 单丝制备

   • 使用双轴搅拌机将PBS和MCC熔融共混，MCC含量为0至25 wt%。通过单孔喷丝板挤出，水浴冷却后进行多阶段高倍热拉伸。
     
   • 拉伸温度分别为65°C、85°C和80°C，拉伸比为4，最终得到直径为0.2–0.4 mm的复合单丝。

3. 性能表征

   • 机械性能测试：使用电子单纱强力机测试应力-应变曲线，动态机械分析（DMA）测试拉伸变形行为，循环拉伸测试评估单丝的弹性恢复性能。
     
   • 结构表征：通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、激光共聚焦显微镜（LSCM）和微计算机断层扫描（Micro-CT）分析单丝的化学结构、表面形貌和三维结构。
     
   • 降解测试：将样品埋入花园土壤中60天，每隔6天测量质量损失，评估生物降解性能。

4. 数据分析

   • 通过分子动力学模拟（MS）研究纤维素与PBS的相互作用，使用X射线衍射（WAXD）分析结晶结构，并通过DSC（差示扫描量热法）研究热性能。

主要结果
1. 机械性能
- 含10–25 wt% MCC的复合单丝在拉伸比为4时表现出双屈服行为，表明其在微小变形下具有永久变形抗性。
- 随着MCC含量的增加，复合单丝的断裂伸长率从140%降至16%，符合普通纺织品的断裂伸长率要求（10%–30%）。
- 含25 wt% MCC的复合单丝弹性模量为445 MPa，断裂强度为88 MPa，满足人工草坪单丝的机械性能要求。

1. 结构分析

   • SEM和LSCM显示MCC在复合单丝中均匀分散，无明显的团聚现象。
     
   • Micro-CT扫描表明MCC在单丝中均匀分布，PBS与MCC之间形成了特定的界面层，促进了微相分离结构的形成。

2. 降解性能

   • 在60天的土壤降解实验中，含25 wt% MCC的复合单丝质量损失率达到25.2%，远高于纯PBS单丝的5.9%。
     
   • MCC的降解速率高于PBS，微生物优先攻击MCC，促进了界面层的滑移和断裂，从而加速了复合单丝的降解。

结论
该研究通过无溶剂熔融纺丝法成功制备了PBS/MCC复合单丝，具有优异的微弹性响应和降解性能。MCC作为物理交联点，显著改善了复合单丝的尺寸稳定性和弹性恢复能力。同时，MCC的加入显著提高了复合单丝的生物降解速率，使其在高级纺织领域具有广阔的应用前景。

研究亮点
1. 开发了一种无溶剂熔融纺丝法，成功制备了高MCC含量（25 wt%）的复合单丝。
2. 通过多阶段高倍热拉伸，实现了MCC的均匀分散和微相分离结构的形成。
3. 复合单丝表现出优异的微弹性响应和降解性能，具有显著的科学和应用价值。

其他有价值的内容
研究还通过分子动力学模拟和FTIR分析，揭示了PBS与MCC之间的氢键作用机制，为界面层结构的形成提供了理论支持。此外，研究提出了一种基于界面结合的微弹性响应机制，为未来设计高性能生物降解纤维提供了新的思路。