尿素甲醛树脂改性聚乙烯醇基生物复合材料增强黄麻纤维素微纤维的开发与性能评价

为解决合成材料环境危害问题，研究人员通过机械球磨法制备黄麻纤维素微纤维(CMF)，采用溶液浇铸技术开发了尿素甲醛树脂(UF)改性聚乙烯醇(PVA)基生物复合材料(CMF-UF-PVA)。研究发现含1 wt% CMF和1 wt% UF的复合材料拉伸强度较纯PVA提升118%，且具有更优的生物降解性，为绿色包装和生物医学领域提供了新型环保材料。

　　

随着全球环保意识提升，开发可替代合成材料的生物基复合材料成为研究热点。传统塑料制品难以降解导致的环境污染问题日益严峻，而天然纤维增强聚合物复合材料因其可再生、可降解特性备受关注。黄麻纤维作为富含纤维素(61.9%)的天然材料，具有成本低、储量丰富的优势，但其在复合材料中的应用仍面临机械性能与加工工艺的优化挑战。聚乙烯醇(PVA)虽具备良好的生物相容性和机械性能，但纯PVA材料的强度和环境适应性有待提高。

针对这些问题，来自[中国研究机构]的Shahin Sultana团队在《Smart Materials in Manufacturing》发表研究，通过机械球磨法制备黄麻( Corchorus olitorius )纤维素微纤维(CMF)，创新性地将热固性尿素甲醛树脂(UF)与热塑性PVA结合，开发出具有互穿聚合物网络(IPNs)结构的CMF-UF-PVA生物复合材料。研究采用溶液浇铸技术制备了22种不同配方的材料，通过系统表征发现含1 wt% CMF和1 wt% UF的复合材料展现出突破性性能：拉伸强度较纯PVA提升118%，热稳定性显著增强，且土壤降解实验证实其生物降解率优于纯PVA。这项研究为开发高性能环保材料提供了新思路，在包装、生物医学等领域具有重要应用前景。

关键技术方法包括：1) 通过化学组分分析(测定木质素、半纤维素等含量)和15小时机械球磨制备CMF；2) 采用动态光散射分析CMF和UF粒径分布；3) 溶液浇铸法制备含0.5-10 wt%不同负载量的CMF-PVA、UF-PVA及CMF-UF-PVA复合材料；4) 通过ATR-FTIR、SEM、TGA和万能试验机等系统表征材料性能；5) 参照ASTM D 5988-12标准进行为期9个月的土壤降解实验。

研究结果部分：

1. 黄麻纤维化学组分分析：通过系列化学处理测得 tossa 黄麻含α-纤维素(61.9%)、半纤维素(20.5%)和木质素(13.9%)，为CMF制备奠定基础。
2. CMF制备与表征：15小时球磨后CMF平均粒径降至1.24 μm，ATR-FTIR证实成功去除木质素特征峰(1507 cm^-1)，SEM显示纤维形态均匀。
3. 力学性能突破：1 wt% CMF+1 wt% UF组表现出最高拉伸强度(20.59 MPa)，比纯PVA(11.93 MPa)提升72.6%，而0.5 wt%组更达118%增幅。
4. 热稳定性提升：TGA显示1 wt% CMF-UF-PVA的T₅₀(50%失重温度)达366.95°C，高于纯CMF(358.77°C)和UF(324.44°C)。
5. 形态学特征：SEM证实1 wt% CMF-UF-PVA中填料分散均匀，仅存在轻微团聚，形成理想纤维-基质界面。
6. 环境友好特性：9个月降解实验显示CMF-UF-PVA失重率达85%，显著高于纯PVA(65%)，证明UF添加不影响降解性能。

结论与讨论指出，该研究首次将UF树脂引入CMF-PVA体系，通过IPNs结构实现热固/热塑性聚合物的协同增强。1 wt%低负载量即实现力学性能突破，打破了传统复合材料高填充需求的局限。材料优异的生物降解性(符合SDG 12可持续发展目标)和热稳定性，使其在替代传统塑料包装、医疗器械等领域具有产业化潜力。研究团队也指出当前溶液浇铸法的负载量限制，建议未来采用模压成型等工艺探索更高纤维含量的复合材料。这项成果为开发"强度-降解性"平衡的绿色材料提供了重要技术参考，对推动循环经济发展具有显著意义。