聚乙烯醇/羧化木质素复合材料的制备及其在纸张涂层中的高值化应用研究

为解决传统PVA材料机械强度易受湿度影响、木质素利用率低等问题，研究人员通过香草醛改性PVA(VPVA)与羧化木质素(GSL)的钙离子交联反应，成功制备出兼具优异疏水性(WCA 95°)、机械强度(90.1 MPa)和全波段UV屏蔽功能的VPVAL@Ca复合材料。该材料作为纸张涂层可使纸张获得KIT 12级抗油性、5.4 g/m2低Cobb120值和0.7 cm3/(m2·24h·0.1 MPa)氧阻隔性，36天土壤降解率达100%，为生物基包装材料开发提供新思路。

　　

塑料污染已成为全球性环境难题，传统石油基塑料如聚乙烯(PE)在自然环境中难以降解，而聚乙醇(PVA)虽具生物降解性却存在遇水强度下降、紫外耐受差等缺陷。与此同时，每年约5000万吨的工业木质素仅被低值焚烧，其天然芳香结构和疏水特性未被充分利用。如何通过材料改性实现二者优势互补，开发高性能可降解复合材料，成为绿色包装领域的关键科学问题。

齐鲁工业大学的研究团队创新性地采用香草醛改性PVA增强疏水性，通过深度共熔溶剂(DES)提取保留羧基的木质素(GSL)，利用钙离子交联制备出VPVAL@Ca复合材料。主要技术包括：1) 乙醛酸/氯化胆碱DES提取非缩合木质素；2) 二维核磁(2D-HSQC)表征木质素结构；3) 钙离子介导的羧基交联反应；4) 接触角测试仪评估疏水性；5) 土壤埋藏法测定降解率。

【GSL extraction and characterization】
通过乙醛酸辅助分馏法获得的羧化木质素(GSL)保留了大量β-O-4醚键(占比达86.4%)，二维核磁显示其羧基含量达2.18 mmol/g。与传统木质素相比，GSL在THF中溶解度提升3倍，为后续均匀复合奠定基础。

【Conclusions】
VPVAL@Ca薄膜展现95°接触角的优异疏水性，拉伸强度达90.1 MPa且断裂伸长率保持16%。紫外测试显示其可完全阻隔UVB/UVC并屏蔽86%UVA。作为纸张涂层时，处理后的纸张氧透过率仅0.7 cm³/(m²·24h·0.1 MPa)，土壤降解实验显示36天即可完全分解。

该研究通过分子设计实现了PVA与木质素的高值化利用：1) 香草醛改性有效阻断PVA羟基吸湿；2) 钙离子交联构建三维网络增强力学性能；3) 木质素芳香结构赋予紫外屏蔽功能。所开发的材料在食品包装、药品防潮等领域具有应用潜力，相关成果发表于《International Journal of Biological Macromolecules》，为"双碳"目标下的可持续材料开发提供新范式。研究得到国家自然科学基金(32271800)和济南创新团队(2021GXRC023)支持，由Yanan Chen等学者完成。