基于竹纤维和硬脂酸的天然疏水性可降解纤维素吸管的开发研究

一、作者及发表信息
本研究由Chunyu Hou、Wen Yang、Yuping Ning、Conghui Mi、Hailan Jin、Jian Li及通讯作者Lijuan Wang*（东北林业大学教育部生物质材料科学与技术重点实验室）合作完成，发表于*International Journal of Biological Macromolecules*（2024年11月，卷283，文章编号137676）。

二、学术背景
科学领域：本研究属于生物质材料与可持续包装领域，聚焦于开发环保型吸管以替代塑料制品。
研究动机：传统塑料吸管（聚丙烯）因降解产生的微塑料污染环境与危害健康，而现有纸吸管需添加疏水剂（可能含毒性化学物质）。聚乳酸（PLA）吸管成本高且降解条件苛刻（需60°C以上）。因此，亟需开发低成本、全天然、高疏水且可快速降解的吸管材料。
目标：以漂白竹纤维（Bleached Bamboo Fibers, BBF）和硬脂酸（Stearic Acid, SA）为原料，通过酯化反应和孔隙填充工艺，制备兼具疏水性、可降解性和实用性的吸管（BBF/SA@straw）。

三、研究流程与方法
1. 材料制备
- BBF@straw基础吸管：将竹浆板切割为3×10 cm矩形条，水饱和后卷绕聚四氟乙烯（PTFE）棒，干燥成型。
- BBF/SA@straw改性吸管：将BBF@straw浸入不同浓度SA溶液（5–30 wt%），65°C处理1–120分钟，随后70–110°C干燥（时间30–180分钟）。通过单因素实验和响应面法（Response Surface Methodology, RSM）优化工艺参数。

1. 表征与分析

   • 形貌与结构：扫描电镜（SEM）观察纤维孔隙填充情况；傅里叶红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）验证酯化反应及SA结晶状态。
     
   • 疏水性测试：水接触角（WCA）测量（DSA25接触角仪），优化后吸管最大WCA达133°。
     
   • 机械性能：电子拉伸试验机测定拉伸强度（TS）和断裂伸长率（EB）；干/湿弯曲强度通过悬挂重量（50–170 g）评估。
     
   • 降解实验：将吸管埋入土壤，每10天记录形貌变化，50天后BBF/SA@straw几乎完全降解。
     
   • 适用性测试：在0°C和25°C下浸泡于水、茶、咖啡、可乐和牛奶中，评估吸管稳定性。
     

2. 数据分析

   • 采用Design-Expert 13软件进行Box-Behnken实验设计和RSM分析，建立水吸收率（目标函数）的二次多项式模型，验证工艺参数（SA浓度、浸泡时间、加热温度与时长）的交互作用。
     

四、主要结果
1. 疏水性与工艺优化
- 最优工艺：SA浓度20%、浸泡10分钟、110°C干燥20分钟，水吸收率58.66%（预测值57.11%）。SEM显示SA填充纤维孔隙并形成粗糙表面，FTIR证实酯键（1706 cm⁻¹）生成，XRD显示SA以单斜晶型（C型）存在。
- 对比实验：未改性BBF@straw的WCA仅26°，而BBF/SA@straw在15分钟后仍保持95°。

1. 机械与降解性能

   • 干弯曲强度：BBF/SA@straw可承受165 g重量（BBF@straw为110 g），但湿强度较低（50 g维持2分钟）。
     
   • 降解性：50天后BBF/SA@straw完全降解，优于聚丙烯（PP）和PLA吸管（无明显降解）。
     

2. 实际应用表现

   • 在各类饮料中浸泡1小时无变形、分层或开裂，适用于低温环境（0°C）。成本仅0.4美分/支，为PLA吸管的1/5、商用纸吸管的1/10。
     

五、结论与价值
1. 科学价值：提出了一种通过酯化反应和孔隙填充同步实现竹纤维疏水改性的新方法，揭示了SA结晶形态与疏水性的关联机制。
2. 应用价值：BBF/SA@straw兼具低成本（原料易得）、全天然、可快速降解（50天）和优异疏水性（WCA 133°），是塑料吸管的理想替代品，助力解决“白色污染”。

六、研究亮点
1. 创新工艺：首次将响应面法应用于吸管疏水改性工艺优化，显著提升效率。
2. 环保材料：仅使用竹纤维和SA，避免有毒化学物质（如传统纸吸管的蜡涂层）。
3. 综合性能：在疏水性、降解速度和成本上均优于PLA和商用纸吸管（雷达图对比）。

七、其他发现
热重分析（TGA）显示SA涂层延缓纤维热分解（起始分解温度150°C），进一步验证其保护作用。此外，乙醇后处理（HE/BBF/SA@straw）可进一步提升结构致密性，但机械性能略有下降（TS降低至3.63 MPa）。

（全文约2000字）