本研究由Yu Liu、Yian Chen和Haisong Qi共同完成，研究发表于期刊《Carbohydrate Polymers》，具体发表信息为：Volume 293, 1 October 2022, Article 119729。
本研究属于生物降解材料领域，具体涉及纤维素纳米纤维(Cellulose Nanofibers, CNFs)与聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol, PVA)复合膜的制备和性能研究。纤维素是一种广泛存在于植物生物质中的有机高分子材料，其可降解性和环保特性使其在包装材料、生物医学支架、热绝缘泡沫等领域具有重要应用价值。然而，随着全球对于海藻资源需求的增长以及海藻培养的低成本、高增长率特性，海藻被认为是木质纤维素生物质的良好替代来源。海藻纤维素的独特特性（如高纵横比及高结晶度）使其在增强聚合物性能方面具有巨大潜力。
另一方面，PVA作为一种低成本的水溶性聚合物，以其良好的柔韧性、透明性、高拉伸强度和生物相容性等性能广泛应用于多种领域。然而，PVA因其分子链上含有大量亲水性羟基，限制了其在潮湿环境中的性能表现。为此，本研究旨在利用化学交联策略结合海藻源高性能纤维素纳米纤维，开发高机械强度和耐水性能的PVA基复合膜，探索其在潮湿环境中的应用潜力。
本研究包含多个步骤，详细工作流程如下：
1. 提取及改性纤维素纳米纤维(CNFs) - 原材料处理：从商品化的海藻（Sargasso）中提取纤维素，去除蛋白质、褐藻酸盐、矿物质及色素，以保障最终产物的纯度。 - CNFs分散制备：获得分散性良好的纳米纤维分散液，并采用原子力显微镜（AFM）对其结构表征，证实其直径为3–5 nm，长度为15–20 μm。 - 表面改性：利用硅烷偶联剂KH560对CNFs进行表面改性，形成KH560改性纤维素纳米纤维（KCNFs），改性后纤维直径增加至4–6 nm，长度保持不变。
2. 制备kcnf/pva复合膜 - 溶液制备及成膜：在碱性热水体系下，将PVA与各种含量的KCNFs交联，制备不同质量百分比(1–5wt%)的kcnf/pva复合膜。 - 复合膜的检测与表征：通过SEM、AFM、FT-IR、XRD等技术，详细表征复合膜的表面形貌、分子结构及晶体特性。此外，利用水接触角（WCA）测试复合膜的亲水性，发现复合膜表面的水接触角随KCNF含量增加而逐步增大，最终达到119°。
3. 热力学及机械性能测试 - 热性能：研究了复合膜的热稳定性，发现kcnf/pva膜的热分解温度相比纯PVA膜提高了70 ℃。 - 力学性能：测试不同质量百分比的kcnf/pva膜在干态和湿态下的拉伸性能。在1wt%-5wt%的含量范围内，3wt%样本展示了最佳湿态延伸率（320%），而4wt%样本展示了最高干态拉伸强度（249 MPa）。
4. 可回收性研究 - 重复使用测试：通过高温水溶解及再生过程，研究复合膜在5次循环过程中的机械性能变化，发现尽管部分性能有所下降，但仍能保持较高强度与耐水性。
本研究的主要结果如下： 1. CNFs的高纵横比检测：从海藻中提取的CNFs表现出优异的尺寸特性（直径3–5 nm，长度15–20 μm），更适合增强聚合物性能。 2. KCNFs改性的成功表征：通过FT-IR和XRD等技术，证明硅烷偶联剂KH560与CNFs结构中的羟基发生了交联反应，从而生成了稳定的KCNFs。 3. 性能显著提升： - 力学性能：在湿态环境下，kcnf/pva膜的拉伸强度提高了92倍（0.54 MPa增加至50 MPa），延伸率提高至320%。 - 热稳定性：相较普通PVA膜，kcnf/pva膜的热稳定性显著增强。 - 透明性与水接触角：kcnf/pva膜光透过率较高（75%），同时展示出显著的亲水性消减（水接触角达119°）。 4. 可回收性：制备的复合膜可在高温水中迅速溶解，并经过简单处理后再生为新膜，再生膜性能稳定，展现了较强的实用性与经济价值。
本研究开发了一种由KCNFs和PVA组成的新型复合材料kcnf/pva膜。通过化学交联及增强填料的协同作用，该膜展示出以下优势： 1. 出色的综合机械性能（包括干态与湿态强度）； 2. 极高的耐水性，适合于潮湿环境下的应用； 3. 优异的热稳定性，为其在高温环境下使用提供可能； 4. 良好的可回收性与可再利用性，体现了环保价值。
这些性能使得kcnf/pva膜在生物医学材料（如人工皮肤）、湿性包装以及其他要求耐水和高强度的领域具有重要应用潜力。
本研究提出了一种针对潮湿环境的高性能材料解决方案，同时展示了kcnf/pva膜在循环经济和环保领域的重要潜力。