基于水葫芦纳米纤维素与海螺壳纳米甲壳素协同强化的PVA/海藻酸钠绿色纳米复合薄膜的构建与性能研究

为解决传统石油基材料的环境污染问题，印度安娜大学团队创新性地利用废弃生物质水葫芦（WH）和海螺壳（PWS），通过DES（低共熔溶剂）-微波-超声三元预处理技术成功制备纳米纤维素（NC）和纳米甲壳素（NCh），并协同PVA/海藻酸钠（SA）构建高性能绿色纳米薄膜。该薄膜展现出16.38 MPa的拉伸强度和500°C热稳定性，为生物医药、食品包装等领域提供了可持续材料解决方案。

　　

研究背景
在全球倡导循环生物经济的背景下，石油基材料的环境危害与日俱增。水葫芦（Eichhornia crassipes）和海螺壳（Littorina littorea）作为典型的环境污染物，却富含纤维素（29-53%）和甲壳素（γ型）等天然高分子。然而，如何高效转化这些废弃生物质为高附加值纳米材料，并解决传统纳米薄膜机械强度不足、热稳定性差等问题，成为当前研究的瓶颈。

研究方法
印度安娜大学化学工程系Brinda Lakshmi Anguraj团队采用三步法：1）从水葫芦和海螺壳中通过ChCl/OA（氯化胆碱/草酸）DES结合微波（300 W）和超声提取NC（232.5 nm）与NCh（80 nm）；2）将NC/NCh（1-5 wt%）与3 wt% PVA/SA溶液超声乳化，经流延成膜；3）单宁酸-戊二醛交联结合微波辐照（60 s）强化界面结合。

研究结果
1. 材料表征
SEM/TEM显示NC呈纤维状，NCh为晶须结构；XRD证实NC为I型纤维素，NCh为γ型甲壳素；TGA证明材料在500°C内稳定。
2. 薄膜性能
5 wt% NC+3 wt% NCh复合膜表现最优：拉伸强度16.38 MPa（比纯PVA膜提升320%），湿稳定性≥16%，接触角分析显示适度亲水性（利于生物负载）。
3. 机理分析
DLS和FTIR揭示DES预处理有效暴露羟基/N-乙酰基，微波辐照促进PVA-SA与NC/NCh形成氢键网络。

结论与意义
该研究首次实现水葫芦NC与海螺壳NCh的协同增效，所开发的绿色纳米薄膜在机械性能（16.38 MPa vs 文献值<10 MPa）和热稳定性（500°C vs 常规<300°C）上突破显著，为生物医药载体、食品活性包装提供了兼具环境友好与高性能的新材料范式。论文发表于《Carbohydrate Research》，为废弃生物质的高值化利用提供了可规模化推广的技术路径。