纳米氧化铝增强聚乙烯醇/稻壳灰纳米复合薄膜的性能与应用研究

为解决石化基塑料污染问题，研究人员通过溶胶-凝胶法制备了含5-25 wt.%稻壳灰（RHA）和2 wt.%纳米氧化铝（NAL）的PVA复合薄膜，以戊二醛（GLA）和十二烷基硫酸钠（SDS）为交联剂和表面活性剂。结果表明，复合材料的拉伸强度（TS）和杨氏模量（YM）分别提升32.84%和1352.07%，水蒸气透过率（WVTR）降低46.82%，生物降解性120天达38%，显著优于纯PVA，为食品包装提供了环保解决方案。

　　

研究背景与意义
每年全球产生3亿吨塑料垃圾，其中食品包装用石化基聚合物因不可降解性导致严重的生态危机。这些材料不仅消耗石油资源，燃烧时释放CO₂
、NO_x
等温室气体，还威胁海洋生物。生物可降解材料如聚乙烯醇（PVA）虽具潜力，但其机械性能和耐水性较差，难以替代传统塑料。稻壳灰（RHA）作为农业废弃物富含SiO₂
，纳米氧化铝（NAL）则能提升材料热稳定性，二者与PVA复合或可突破性能瓶颈。

技术方法
研究采用溶胶-凝胶法合成PVA/RHA/NAL复合薄膜，RHA添加量为5-25 wt.%，NAL固定2 wt.%，以GLA和SDS分别作为交联剂和表面活性剂。通过紫外-可见光谱（UV-vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）分析材料结构，并测试力学性能、水蒸气透过率（WVTR）及生物降解性。

研究结果

1. 化学结构分析
   FTIR显示PVA的-OH与GLA形成交联网络，RHA的SiO₂
   与PVA通过氢键结合，SEM证实填料分散均匀。

2. 力学与阻隔性能
   含25 wt.% RHA的复合材料拉伸强度提升32.84%，杨氏模量激增1352.07%；WVTR降低46.82%，归因于NAL的致密填充和GLA交联。

3. 热稳定性与生物降解性
   热重分析（TGA）表明PVA/RHA/NAL的分解温度比纯PVA提高40°C，120天土壤降解率达38%，优于纯PVA（<10%）。

4. 实际应用验证
   复合薄膜包装番石榴可延长保质期，证实其在食品包装中的实用性。

结论与意义
该研究通过低成本农业废弃物RHA和NAL协同增强PVA，解决了生物降解材料机械强度不足的核心问题。复合薄膜兼具高TS（32.84%提升）、低WVTR（46.82%降低）及可控降解性（38%），为替代石化塑料提供了可行方案，同时推动农业废料高值化利用。成果发表于《Catalysis Today》，对可持续材料开发与碳中和目标实现具有双重意义。