甘蔗渣纤维素基半互穿网络复合高吸水性材料的快速构建与吸水机理研究

针对生物质基高吸水性材料（CSAR）吸水速率慢、耐盐性差的问题，研究人员通过将线性聚乙烯醇（PVA）与甘蔗渣纤维素-g-聚(丙烯酰胺-co-丙烯酸)/改性纳米CaCO3网络（CAAMC）交联，构建了具有半互穿网络结构（semi-IPN）的快速复合吸水性材料（CAAMC/PVA）。该材料1分钟内可吸收290 g/g去离子水，47 g/g 0.9 wt% NaCl溶液，吸水速率和耐盐性优于部分商业产品，并通过分子模拟揭示了PVA的–OH与AA的–COOH协同提升吸水速率的机制，为废弃生物质高值化利用提供了新策略。

　　

在卫生用品领域，生物质基高吸水性材料（Composite Superabsorbent Materials, CSAR）因其生物相容性和环境友好性备受关注。然而，传统材料面临两大痛点：吸水速率缓慢（通常需30分钟达到平衡），以及盐溶液中性能骤降。以婴儿纸尿裤为例，延迟的尿液吸收可能引发皮肤刺激甚至尿布疹。与此同时，全球每年产生约2.6亿吨甘蔗渣，这种富含纤维素的可再生资源大多被低效利用。如何通过结构设计突破材料性能瓶颈，同时实现农业废弃物的高值转化，成为研究者亟待解决的难题。

广西高校的研究团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表创新成果，通过将甘蔗渣纤维素（BC）与丙烯酸（AA）、丙烯酰胺（AM）接枝共聚，并引入改性纳米CaCO₃（MC）和线性聚乙烯醇（PVA），成功构建了具有半互穿网络结构（semi-IPN）的CAAMC/PVA复合材料。该材料在1分钟内即可吸收290倍自重去离子水，对生理盐水的吸收量达47 g/g，其性能超越部分商业产品。分子模拟首次揭示PVA的羟基（–OH）与AA的羧基（–COOH）协同作用形成吸附能达-3.545 kJ/mol的水分子通道，为快速吸水机制提供了理论依据。

研究采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、固态¹³C核磁共振等技术确认材料结构，通过扫描电镜（SEM）观察到表面多层多孔形貌（接触角52°），并利用Materials Studio软件进行吸附能计算。实验设计上，重点调控PVA添加时机与用量以优化semi-IPN形成，同时采用硅烷偶联剂改性纳米CaCO₃防止团聚。

材料表征
FTIR与¹³C NMR证实AA/AM成功接枝到BC骨架上，1674 cm^-1处特征峰对应酰胺与羧酸的C=O振动。热重分析显示材料在300°C前保持稳定，而SEM图像显示PVA的引入形成更丰富的孔隙结构。

性能优势
CAAMC/PVA对人工血液（42 g/g）和人工尿液（27 g/g）的快速吸收能力，使其在卫生用品领域具应用潜力。动力学分析表明，semi-IPN结构缩短了聚合物网络松弛时间，而MC的Ca²⁺通过动态离子梯度缓解盐溶液渗透压效应。

分子机制
Materials Studio模拟显示，PVA的–OH与AA的–COOH协同作用形成低能水合位点（-3.545 kJ/mol），而MC的加入使材料在盐溶液中保持结构稳定性。

该研究不仅为开发快速响应型生物质CSAR提供了"结构设计-性能调控-机理阐释"的全链条解决方案，更开创性地将分子模拟技术应用于吸水机理研究。其成果对推动农业废弃物资源化、缓解石油基材料环境压力具有重要意义，尤其在婴儿纸尿裤、医用敷料等需快速液体管理的领域展现出广阔应用前景。