《Materials Science and Engineering: B》：Sustainable preparation of loofah-derived composite materials with efficient humidity-regulating performance
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基于农业废弃物Luffa cylindrica纤维的多孔支架与钙化海藻酸钠复合湿度调节材料研究，通过5% NaOH活化、1.5%钠 alginate浸渍和10% CaCl?交联制备，材料在23℃/98% RH下吸湿率达72.1%（未改性LF的3.8倍），33% RH下脱湿能力57.9%（3.2倍），具备±2%日波动稳定性，成本9 USD/kg且完全可降解，适用于食品医药存储和绿色建筑领域。
张鹏飞|钱顺宇|周波
中国苏州科技大学环境科学与工程学院，苏州
摘要
为了解决传统调湿材料（高再生能耗、不可降解）和基于金属有机框架（MOF）的材料（高成本、潜在污染风险）的缺点，本研究利用农业废弃物丝瓜络纤维（LF）作为支架，开发了一种可扩展且可生物降解的LF@SA-Ca复合调湿材料。制备过程包括5%的NaOH活化、1.5%的海藻酸钠浸渍和10%的CaCl?交联。该复合材料保留了LF的三维多孔结构，并在其表面均匀地锚定了海藻酸钠（SA-Ca）功能层。在23°C和98%相对湿度（RH）下，其吸湿能力达到72.1%（是未经改性的LF的3.8倍），在33% RH下，其释湿能力为57.9%（高出3.2倍），在循环测试中表现出优异的结构稳定性。Peleg模型能够很好地拟合吸附-解吸等温线，相关系数（R2）约为0.999。实际测试表明，该材料可以在没有额外水分来源的情况下将试验室的湿度稳定在45%–50%之间，或者在有内部水分来源的情况下稳定在55%–70%之间，日波动幅度仅为±2%。该材料的成本约为9美元/千克，所有成分均可完全生物降解，由于其可扩展性、低成本和环保性等优点，在食品保存、药品储存与运输、绿色建筑等领域具有广泛的应用前景。
引言
湿度调节在食品保存、药品储存和建筑环境等领域至关重要。其核心要求是在实现高效湿度控制的同时，兼顾材料的环保性和低成本特性。作为被动湿度调节的核心载体，“调湿材料”可以通过自身的物理化学性质在无需外部能量输入的情况下调节环境湿度[1]，这符合绿色和可持续发展的理念[2]、[3]。然而，当前主流的调湿材料仍面临显著瓶颈：无机材料如硅胶和硅酸盐依赖物理吸附[4]、[5]，具有有限的吸湿能力和较高的再生能耗。即使加入CaCl?和LiCl等无机盐以提高吸湿性，它们仍存在盐类潮解和泄漏的风险[6]、[7]；金属有机框架（MOFs）具有超高的吸湿能力——例如，Qin等人[8]开发了一种基于MOF的调湿材料，在80% RH下的吸湿能力为1.62克/千克——但其合成需要昂贵的金属源，并产生有毒中间体，导致大规模应用的成本高达30–50美元/千克[9]、[10]、[11]，这阻碍了其广泛应用；虽然有机聚合物材料（如海藻酸钠、聚丙烯酰胺）含有丰富的亲水基团，其吸湿能力可超过自身重量的100%[12]、[13]，但由于吸湿后容易发生凝胶化而失去形态稳定性，无法加工成实用模块[15]。
近年来，基于农业废弃物的复合调湿材料成为研究热点。虽然秸秆和稻壳等原材料能够实现绿色和低成本的制备，但它们通常面临“难以同时实现高吸湿性和高释湿性”的挑战。例如，尽管秸秆-丙烯酸复合系统的吸水率达到824克/千克，但其释湿性能尚未得到系统研究[14]；此外，这些材料大多具有无序的多孔结构，水蒸气扩散通道不顺畅，导致吸湿/释湿速率无法满足实际工作条件的要求。作为天然多糖聚合物，海藻酸钠（SA）在其分子链上富含羟基（-OH）和羧基（-COO?）等亲水基团，具有高吸湿性、生物相容性和无毒性的特点，是一种非常有前景的绿色替代材料[15]、[16]。然而，纯SA在吸湿后容易膨胀并塌陷成凝胶状态，缺乏固定的多孔结构，水蒸气扩散效率低。相比之下，通过与金属离子交联形成的海藻酸钠（SA-Ca）可以构建基于“蛋盒模型”的三维（3D）网络结构，显著提高形态稳定性[42]。例如，Lu等人[17]通过海藻酸钠与CaCl?的交联制备了自驱动吸湿仿生叶片，能够根据环境温度和湿度自主吸湿；Yi等人[18]制备了基于海藻酸钠的复合纳米纤维膜，吸水率超过700%。Ca2+与SA之间的交联不仅增强了Ca2+的稳定性，还促进了CaCl?在SA-Ca表面和内部的沉积，从而保持了其吸湿能力。然而，单独的SA-Ca凝胶缺乏宏观结构支撑，无法加工成实用的块状模块。因此，需要将SA-Ca与具有多孔结构的支架材料复合，以实现高吸湿能力和结构稳定性。
作为典型的农业废弃物，丝瓜络纤维（LF）具有三维互联的孔结构、高干态硬度和可生物降解性[19]、[20]。其独特的多孔网络可以同时提供结构支撑和水蒸气扩散通道[21]、[22]，是解决基于凝胶材料的形态不稳定性的理想支架[23]。然而，现有的基于农业废弃物的材料大多集中在单一组分的改性上。迄今为止，尚未有研究将丝瓜络应用于湿度调节领域，也没有系统探讨“通过多孔支架-亲水凝胶耦合协同调节吸湿/释湿性能”的方法。支架的多孔结构与凝胶的亲水基团之间的协同效应尚未得到充分利用，难以突破吸湿能力、释湿速率和形态稳定性的限制。
因此，本研究以“低成本、高稳定性和高效湿度控制”为核心目标，提出了一种复合设计策略：使用丝瓜络作为支架，海藻酸钠（SA-Ca）作为亲水功能层：通过碱处理优化丝瓜络的表面结构，增强其与SA-Ca的界面结合力；通过浸渍-交联方法原位沉积SA-Ca薄膜，利用凝胶的高亲水性提高吸湿能力，同时依靠丝瓜络支架保持形态稳定性。该材料结构通过SEM和FTIR进行了表征，并结合了吸湿/释湿性能测试和多条件应用验证。本研究旨在提供一种可扩展的生物基调湿材料，用于食品保存、药品储存和建筑节能领域，填补丝瓜络在湿度调节领域的应用空白，并为农业废弃物的高价值利用提供新的方向。
部分内容摘录
丝瓜络纤维（LF）的预处理
丝瓜络纤维（LF）被切成3×3厘米的块，清洗后在70°C的烤箱中干燥。准备了质量浓度分别为3%、5%和7%的氢氧化钠（NaOH）溶液。将LF块浸入不同浓度的溶液中，并用塑料薄膜密封烧杯口。在90°C的磁力搅拌水浴中轻轻搅拌4小时。用镊子取出经过碱处理的LF，用去离子水冲洗至中性。
表征
使用扫描电子显微镜（SEM）观察原始LF、碱处理后的LF和LF@SA-Ca复合材料的微观形态。采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）对碱处理后的LF和LF@SA-Ca复合材料进行表征。LF纤维样品在衰减全反射（ATR）模式下进行测试，波长范围为4000–400厘米?1。吸湿-释湿性能
根据GB/T20312—2006标准[34]，将调湿材料干燥至恒定重量后结论
本研究通过三步工艺成功制备了一种基于LF的复合调湿材料：5%的NaOH碱处理、1.5%的海藻酸钠（SA）浸渍和10%的CaCl?交联。在23°C和98% RH的条件下，该材料的吸湿率达到72.1%（是未经改性的LF的3.81倍），释湿率达到57.9%（是未经改性的LF的3.18倍），吸附-解吸平衡率为80.4%。未观察到盐类沉淀。
CRediT作者贡献声明
张鹏飞：撰写——原始稿件、方法论、概念构思。钱顺宇：数据整理、概念构思。周波：撰写——审阅与编辑、资源提供。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52008282）的支持。
