Yuan He、Haichuan Ye、Haichao Li、Fengyun Cui、Feng Xu、Tingting You等研究者于2024年1月在Chemical Engineering Journal（卷479，文章编号147546）发表了一项关于高性能木质素-纤维素多功能薄膜的原创研究。该研究通过物理化学双重交联网络构建，开发出兼具机械强度、透明性、抗菌性等综合性能的可持续生物基材料，旨在替代石油基塑料，特别是在食品主动包装领域具有重要应用潜力。

学术背景

石油基塑料制品的不可降解性导致严重的环境问题（如微塑料污染和温室气体排放），而天然高分子材料（如纤维素、木质素）因其可再生性和可降解性成为研究热点。然而，传统木质素-纤维素复合材料存在力学性能不足、光学雾度高、功能单一等问题。本研究针对以下关键科学问题展开：
1. 相容性瓶颈：木质素与纤维素间静电排斥导致界面结合弱，影响力学性能；
2. 性能平衡难题：高木质素含量会引发 brittleness（脆性）和haze（雾度），而低含量则难以实现高强度；
3. 多功能集成需求：食品包装需同时具备紫外屏蔽、抗菌、水蒸气阻隔等特性。
研究目标是通过氨基化木质素（aminated lignin, AL）与二醛纤维素（dialdehyde cellulose, DAC）的席夫碱反应（Schiff base chemistry）和氢键网络构建双重交联体系，实现高性能多功能薄膜的制备。

研究方法与流程

1. 材料制备

• 氨基化木质素（AL）合成：
  碱性木质素通过3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）在四氢呋喃中改性，引入氨基和硅氧烷基团（步骤：溶解→离心→真空干燥）。核磁共振（31P NMR）证实羟基含量为5.03 mmol/g，GPC测得数均分子量1157 g/mol。
  
• 二醛纤维素（DAC）制备：
  溶解木浆（DWP）被高碘酸钠（NaIO₄）氧化，C2、C3位羟基转化为醛基（1:1.5摩尔比，55℃避光反应3小时）。滴定法测定醛基含量为1.67 mmol/g。
  

2. 薄膜构建

• 成膜工艺：
  DAC与AL以不同质量比（95/5、93/7、90/10）溶于离子液体AMIMCl，80℃搅拌3小时形成均质溶液，刮膜后水浴固化去除溶剂。通过席夫碱反应（-C=N-）和氢键形成物理-化学双网络结构。
  

3. 性能表征

• 机械性能：
  拉伸测试（Zwick Z005仪器）显示ALD10薄膜的拉伸强度达164.8 MPa（比纯DAC高2倍），杨氏模量12.1 GPa，断裂伸长率3.3%。ANOVA分析证实AL含量对力学性能影响显著（p<0.05）。
  
• 光学性能：
  紫外-可见光谱（UV-Vis）测得ALD10在550 nm可见光透光率60.8%，365 nm紫外屏蔽率96.2%；雾度测试显示几乎无光散射（haze接近0）。
  
• 抗菌性：
  针对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli），ALD10的抑菌率分别达55.7%和50.3%，优于未改性薄膜（33.2%-40.2%），归因于席夫碱的蛋白质交联作用。
  
• 阻隔性与稳定性：
  水蒸气渗透率（WVP）低至2.43×10⁻¹¹ g·m⁻¹·s⁻¹·Pa⁻¹，接触角97.5°（疏水性）；热重分析（TGA）显示热分解温度提升至300℃以上。
  

4. 应用验证

• 苹果保鲜实验：
  ALD10薄膜覆盖的苹果在24小时内无明显氧化变色，失重率显著低于对照组，证实其水蒸气阻隔和UV屏蔽效果。
  
• 光热转换：
  模拟太阳辐照（100 mW/cm²）下，ALD10薄膜2分钟内升温至41.5℃，可用于食品自动售货机的节能温控。

主要结果与结论

1. 双重交联机制：
   
   • 化学交联：AL的氨基与DAC的醛基形成席夫碱键，增强界面结合；
     
   • 物理交联：硅烷化木质素通过“曲折路径效应”（tortuous path effect）提升水汽阻隔性。
     
2. 性能优势：
   
   • 力学强度超过多数商业塑料（如聚乙烯、聚丙烯）；
     
   • 高透明性与紫外屏蔽共存，解决了木质素材料常见的雾度问题；
     
   • 多功能集成（抗菌+阻隔+光热）为食品包装提供综合解决方案。
     
3. 科学价值：
   
   • 提出“木质素伪装策略”（Trojan horse camouflage），通过电荷修饰改善相容性；
     
   • 为生物质高值化利用（如木质素的光热转换）开辟新途径。

研究亮点

1. 创新方法：首次结合席夫碱化学与硅烷化改性构建双重网络，实现性能协同优化；
   
2. 性能突破：ALD10薄膜的机械强度（164.8 MPa）和UV屏蔽率（100% UVB）为同类材料最高记录之一；
   
3. 应用潜力：薄膜可折叠、耐溶剂，适用于柔性电子、节能建筑等扩展场景。

其他价值

• 环境效益：全生物基材料降解后无污染，助力碳中和目标；
  
• 技术普适性：工艺可扩展至其他天然高分子（如甲壳素、淀粉）的功能化改性。
  

该研究为替代石油塑料提供了兼具科学严谨性与工程可行性的解决方案，相关技术已申请中国国家重点研发计划（2021YFC2101304）支持。