杜仲胶/木质素纳米纤维素复合膜的制备及其增强水蒸气阻隔性能研究

推荐：本研究针对杜仲胶(EUG)机械性能不足和传统纳米纤维素制备高能耗的问题，创新性地从杜仲果皮残渣中提取含木质素的纳米纤维素(E-LCNFs)作为增强材料。通过p-甲苯磺酸水解和高压均质技术制备E-LCNFs，并构建EUG/E-LCNFs复合膜。结果显示含17.58%木质素的4% E-LCNFs复合膜水接触角达99.9°，断裂伸长率422.5%，水蒸气透过率(WVP)低至0.29×10-9 g/m/h/Pa。草莓保鲜实验证实该材料可显著延长水果货架期，为生物基食品包装材料开发提供新思路。

　　

在追求可持续发展的今天，生物基材料因其环境友好特性备受关注。杜仲胶(EUG)作为一种天然反式-1,4-聚异戊二烯聚合物，具有橡胶般的柔韧性和热塑性，是理想的生物聚合物包装候选材料。然而，纯EUG在常温下存在拉伸强度低、脆性大等缺陷，严重限制了其实际应用。与此同时，传统纳米纤维素生产依赖漂白纤维素，能耗高且环境负担重。如何通过绿色方法提升EUG性能，同时实现杜仲加工残渣的高值化利用，成为亟待解决的科学问题。

福州大学环境与安全工程学院的研究团队创新性地提出全组分利用策略，从杜仲果皮残渣中同步提取EUG和含木质素的纳米纤维素(E-LCNFs)，并构建高性能复合膜材料。相关研究成果发表在《Industrial Crops and Products》上，为解决生物基包装材料机械性能与阻隔性能难以兼顾的行业难题提供了新方案。

研究采用离子液体/有机溶剂双相体系提取EUG，随后通过p-甲苯磺酸水解结合高压均质技术从残渣中制备不同木质素含量的E-LCNFs。通过调控NaOH预处理浓度(0-16%)，获得木质素含量4.57%-17.58%的E-LCNFs。采用溶液浇铸法制备EUG/E-LCNFs复合膜，系统表征了其化学结构、形貌特征和热性能，并测试了机械性能、水蒸气阻隔能力和润湿性。草莓保鲜实验验证了材料的实际应用效果。

研究结果显示，E-LCNFs呈现宽度50-100 nm的短纤维结构，保留木质素显著提高了热稳定性，含17.58%木质素的E-17.58%LCNFs最大热分解温度达362℃。复合膜性能研究表明：

1. 机械性能提升：含17.58%木质素的4% E-LCNFs使复合膜断裂伸长率达422.5%，拉伸强度显著提高。木质素作为相容剂改善了纤维素与EUG的界面结合。

2. 疏水性增强：随着E-LCNFs含量从2%增至8%，水接触角从86.6°升至109.4%。木质素中的非极性基团有效屏蔽了纤维素羟基的亲水性。

3. 水蒸气阻隔性优化：在相对湿度75%条件下，含17.58%木质素的复合膜WVP值最低(0.29×10^-9 g/m/h/Pa)，比纯EUG膜降低29%。SEM显示木质素促使形成致密均匀的膜结构。

4. 保鲜效果验证：使用4%E-17.58%LCNFs/EUG膜包装的草莓在25℃、50%RH条件下储存5天，仅出现轻微变色，失重率显著低于对照组，证实其良好的水蒸气阻隔性能。

该研究实现了杜仲残渣的全组分高值化利用，构建的EUG/E-LCNFs复合膜兼具优异机械性能、热稳定性和水蒸气阻隔性。特别值得注意的是，保留木质素不仅避免了传统漂白工艺的环境负担，还通过其两亲特性显著改善了纤维素与疏水基质的相容性。研究为开发可持续食品包装材料提供了新思路，同时建立了杜仲资源循环利用的技术路径，对促进生物基材料产业发展具有重要意义。福州大学团队提出的"提取-转化-应用"一体化策略，为其他植物资源的全质利用提供了可借鉴的范式。