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研究作者与机构
该研究由Dan Xu、Yujing Pan、Zhihao Du、Zhu-Bao Shao*、Jianhui Qiu和Longxiang Zhu*共同完成，主要研究机构为青岛大学功能纺织品与先进材料研究所。该研究于2023年11月28日发表在期刊《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》上，文章标题为“Enhancing the Mechanical Properties of Biodegradable Poly(lactic Acid) Fibers through Melt Spinning with Cellulose Propionate from Rice Straw”。

学术背景
全球塑料产量逐年增加，年产量超过4亿吨，其中约一半用于一次性用途，而回收率不到10%，导致微塑料污染问题日益严重。聚乳酸（Poly(lactic acid), PLA）作为一种可生物降解的生物基聚合物，因其良好的熔融性能和可降解性，成为替代石油基合成纤维的有力候选材料。然而，纯PLA材料存在玻璃化转变温度低、结晶性能差以及自然降解速度慢等局限性。为了克服这些问题，研究人员探索了多种PLA改性方法，包括化学改性和物理改性。本研究旨在通过将稻秸秆衍生的丙酸纤维素（Cellulose Propionate, CP）与PLA复合，利用熔融纺丝法制备可生物降解的复合纤维，以提升其机械性能和降解性能。

研究流程
1. 材料准备
- 稻秸秆（Rice Straw, RS）从中国江苏获取，经过低温相变法（Low-Temperature Phase Transition, LTPT）处理，得到纤维素微纤维（Cellulose Microfiber, CMF）。CMF经过漂白处理得到漂白纤维素微纤维（Bleached CMF, B-CMF），再通过丙酸酐酯化反应制备丙酸纤维素（CP）。 - 聚乳酸（PLA）由NatureWorks LLC提供，型号为6201D。

1. 丙酸纤维素的制备

   • 将B-CMF与丙酸混合，浸泡3小时后加入丙酸酐和浓硫酸，在100°C下反应2小时，生成CP。反应产物通过离心和冷冻干燥处理，得到粉末状CP。

2. CP/PLA复合纤维的制备

   • 将PLA与不同比例的CP（5 wt%、10 wt%、15 wt%、20 wt%）通过双螺杆挤出机熔融共混，制备CP/PLA复合颗粒。随后，使用微型熔融纺丝机在190°C下纺丝，制备CP/PLA复合纤维。

3. 表征与测试

   • 使用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）和热重分析（TGA）对CP和复合纤维的结构和形态进行表征。
   • 使用万能材料试验机和动态机械分析仪（DMA）测试复合纤维的机械性能。
   • 使用差示扫描量热仪（DSC）和偏光显微镜分析复合纤维的热性能和结晶行为。

4. 降解实验

   • 将CP/PLA复合薄膜埋入土壤中，进行为期5个月的自然降解实验，每月采集样品并计算质量损失率。

主要结果
1. CP的制备与表征
- SEM显示，CP呈粉末状，粒径小于100 μm。FT-IR和XPS证实了纤维素表面羟基被酯基取代，成功制备了CP。XRD显示CP的结晶度显著降低至29.7%，表明酯化反应破坏了纤维素的晶体结构。

1. CP/PLA复合纤维的机械性能

   • 添加5 wt% CP的CP/PLA-1复合纤维的拉伸强度和弹性模量分别达到150.9 MPa和3.43 GPa，比纯PLA纤维（67.7 MPa和2.73 GPa）显著提高。拉伸后，CP/PLA-1纤维的拉伸强度和弹性模量进一步提升至423.5 MPa和11.3 GPa。

2. 降解性能

   • 在5个月的降解实验中，纯PLA和CP/PLA复合薄膜的质量损失率均低于3%。然而，当CP含量达到20 wt%时，CP/PLA-4薄膜的质量损失率显著增加至11.1%。

结论
本研究成功制备了稻秸秆衍生的丙酸纤维素（CP），并通过熔融纺丝法制备了CP/PLA复合纤维。添加5 wt% CP显著提高了复合纤维的机械性能，拉伸后性能进一步提升。降解实验表明，CP/PLA复合纤维在自然环境中表现出良好的降解性能，尤其是高CP含量的复合纤维。该研究为设计和应用环境友好型可降解纤维提供了重要参考。

研究亮点
1. 重要发现
- 添加5 wt% CP的CP/PLA复合纤维的拉伸强度和弹性模量显著提高，拉伸后性能进一步提升。 - CP/PLA复合纤维在自然环境中表现出良好的降解性能，尤其是高CP含量的复合纤维。

1. 方法创新

   • 采用低温相变法和丙酸酐酯化反应制备了稻秸秆衍生的丙酸纤维素（CP），并将其与PLA复合，通过熔融纺丝法制备了高性能可降解纤维。

2. 研究对象的特殊性

   • 以稻秸秆为原料制备CP，不仅提高了PLA纤维的机械性能，还为农业废弃物的高值化利用提供了新途径。

其他有价值的内容
本研究还通过SEM、FT-IR、XPS、XRD和TGA等多种表征手段，详细分析了CP和CP/PLA复合纤维的结构、形态和热性能，为理解复合纤维的性能提升机制提供了科学依据。