《Journal of the Indian Chemical Society》：Alkali-treated PVA/Flax Fiber Biocomposite Films for Sustainable Packaging Applications
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•该研究探讨了PVA/亚麻纤维复合膜的性能。•碱处理能够改善其形态与抗拉强度。•优化后的薄膜在动态载荷下可承受1公斤的重量。•该材料具有较高的介电常数和疏水性。•该薄膜在沸水中2分钟内即可溶解。引言随着环境意识的提升，近年来研究人员一直在努力减少对石油基燃料和材料的依赖。根据联合
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该研究探讨了PVA/亚麻纤维复合膜的性能。
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碱处理能够改善其形态与抗拉强度。
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优化后的薄膜在动态载荷下可承受1公斤的重量。
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该材料具有较高的介电常数和疏水性。
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该薄膜在沸水中2分钟内即可溶解。
引言
随着环境意识的提升，近年来研究人员一直在努力减少对石油基燃料和材料的依赖。根据联合国环境规划署的数据，自1950年以来，全球塑料产量每年增加约4亿吨，其中36%为一次性塑料废弃物，85%被填埋或丢弃在河流、池塘等水体中。尽管人们一直在努力处理塑料废弃物，但全球只有10%的塑料得到回收。日常生活中塑料的生产和使用量不断增加，从而导致塑料废弃物日益增多。为创造更安全、更清洁的环境，各种严格的法规和标准促使众多科学研究致力于开发环保材料。人们付出了巨大努力，试图找到可持续的替代品来应对塑料废弃物带来的问题。许多科学家正在努力用成本更低、可生物降解且具有类似性能的材料取代石油基塑料。这促使研究人员开发出一种环保、可持续且可生物降解的塑料包装材料替代品。亚麻纤维的生产主要集中在欧洲，印度的种植规模则相对较小。亚麻纤维生产过程中产生的废弃物包括亚麻碎屑、短纤维以及粉尘，这些废弃物既带来了挑战，也蕴含着可持续再利用的可能。随着对环保、可生物降解材料需求的增加，利用亚麻纤维废弃物在各个行业中的应用为全球和印度的可持续发展提供了新的途径。已有许多研究将小麦秸秆、大麻、肯纳夫、甘蔗渣、剑麻、香蕉纤维和亚麻等天然纤维与聚合物结合在一起[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。不过，这类木质纤维素类亲水天然纤维的一个显著缺点是它们与聚合物基体的相容性和黏附性较差[7]。通过碱化、酸化、苯甲酰化等各种化学和表面处理方法，可以改善这种状况，研究人员也通过研究提出了相应的处理方案来提升相容性和黏附性[7]。最近，世界各地的研究人员开始探索使用当地易得的、具有多种用途且性能优异的天然纤维。这不仅能减轻合成纤维的负担，还能通过拓展其应用范围来促进经济发展。
为解决这一问题，研究人员制备了由两种或多种材料按不同比例组成的复合材料。小麦秸秆、大麻、肯纳夫、甘蔗渣、剑麻、香蕉纤维、亚麻等天然纤维与聚合物基体结合，从而形成增强型材料[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。其中，亚麻（Linum usitatissimum）因其出色的机械性能而备受瞩目，它具有较高的抗拉强度、刚性、良好的纤维素特性，而且易于获取，因此被广泛应用于纺织等行业[8]。在用亚麻纤维生产亚麻布的过程中，每生产1公斤亚麻布大约会产生2-3公斤的亚麻纤维废弃物[9]。这些废弃物通常被倾倒或焚烧，造成严重的环境污染。将废弃的亚麻纤维用作复合材料，是解决这一问题的有效方法。亚麻复合材料不仅环保、可生物降解，而且对环境的危害也小于合成纤维[10]。利用亚麻纤维废弃物制作复合材料，既能减少生态污染，又能通过将废弃物转化为新产品来创造经济价值[11]。这符合当前强调可持续发展和循环经济理念的金融趋势。
在聚合物复合材料中，基体通常由低密度聚乙烯（LDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯醇（PVA）等材料构成[12]、[13]、[14]。聚乙烯醇（PVA）因其成本低、成膜性能好、可生物降解，同时还具备良好的气体阻隔性，且无毒无害，因而备受青睐[15]。近年来，PVA已被广泛应用于涂料、纸类包装胶、乳化剂和分散剂等领域[16]。PVA对大多数有机溶剂具有较好的耐受性，同时还具备较强的抗静电性和阻氧性[17]。
许多关于PVA与天然纤维复合膜的研究都表明，这类材料具有较高的抗拉强度、更好的热性能、较低的透水蒸气性等优势。有研究者通过采用经碱处理的亚麻纤维并涂覆聚多巴胺，显著提升了复合材料的强度，其强度优于未经处理的纤维[18]。将亚麻纤维与聚乳酸（PLA）结合，可以提高PLA复合材料的抗拉应力[19]。有研究开发出了添加了ZnO纳米颗粒和火龙果提取物的PVA壳聚糖复合膜，这类膜不仅机械强度和热稳定性更高，透水蒸气性也更差，因此具有较高的成本效益，非常适合用于生物活性食品包装[20]。还有研究将氧化钴纳米颗粒引入PVA/壳聚糖混合物中，提升了该材料的结构、光学、热学和机械性能。此外，还有研究利用硫化锌纳米颗粒制备了PVA纳米复合膜，发现ZnS与PVA之间的良好相互作用提升了该材料的结构、热学和介电性能。另有研究将负载了壳聚糖的银纳米颗粒加入PVA膜中，结果发现该膜的机械强度有所提升，阻水性能也得到了改善[21]。还有研究利用椰子壳提取的纤维素纳米纤维与PVA共同制备了复合膜，结果表明这类膜具有良好的机械性能和化学稳定性[22]。还有研究在刚性乙烯基酯基体中加入了从蕉叶和菠萝纤维中提取的生物碳，制备出了多功能复合材料，这类材料具有优异的电磁屏蔽性能、介电性能和疏水性[23]。此前有研究制备了基于亚麻和小麦秸秆的纳米纤维纤维素/PVA膜，比较了纳米纤维小麦秸秆/PVA复合材料与纳米纤维亚麻基聚合物复合材料的性能，发现后者在聚乙烯醇基体中的分散性更好[24]。还有研究指出，基于纤维素纳米纤维的PVA复合膜可用于绿色应用，这类膜的抗拉强度是普通材料的两倍，热稳定性也更高[25]。虽然人们在利用天然纤维和聚乙烯醇（PVA）制备可生物降解复合材料方面已经取得了显著进展，但大多数研究仅侧重于添加天然纤维，而没有系统地优化表面处理条件。尽管亚麻纤维已被广泛用作聚合物复合材料的增强材料，但至今仍缺乏针对碱处理浓度的优化研究，难以在PVA基可生物降解薄膜中同时实现结构、力学、热学、介电、疏水、阻隔和生物降解性能的平衡。
此外，尽管有研究表明化学表面处理能提升纤维与基体的黏附性，但处理浓度与最终复合材料的综合性能之间的关系仍不够明确[7]。因此，本研究的创新之处在于系统地优化NaOH处理浓度，从而确定出提升复合材料性能所需的最佳表面改性方案。通过将纤维表面改性的程度与所制备生物复合材料的结构、力学、热学、介电、疏水、阻隔和生物降解性能相互关联，本研究找到了能够在保持亚麻纤维结构完整性的同时，最大程度提升纤维与基体界面黏附力的最佳碱处理浓度。优化后的PVA/亚麻生物复合材料具有更优异的多功能性能，显示出其在可持续包装领域的应用潜力。
因此，本研究的目标为：（i）研究不同浓度的NaOH对亚麻纤维处理效果的影响；（ii）制备可生物降解的聚合物复合膜；（iii）提升该复合膜的防水性和力学性能；（iv）改善该复合膜的疏水性能。
章节要点
合成工艺
如下面所述，通过溶液浇铸法制备了一系列PVA/亚麻纤维复合膜，其合成流程示意图见图1。
X射线衍射分析
PVA/亚麻纤维复合膜的XRD图谱如图2(a)所示。PVA/10% NaOH处理过的亚麻纤维膜（F4）、PVA/7.5% NaOH处理过的亚麻纤维膜（F3）、PVA/5% NaOH处理过的亚麻纤维膜（F2）、PVA/2.5% NaOH处理过的亚麻纤维膜（F1）、未经处理的PVA/亚麻纤维膜（F0）以及纯PVA膜的XRD图谱分别在19.67°、22.5°、19.9°、20.2°、22.5°和20.3°处出现明显峰值。
图2(a)中在2θ=22°和19.6°附近出现明显峰值，这表明
结论
本研究证明，优化亚麻纤维的碱处理工艺，能够显著提升PVA/亚麻生物复合膜在可持续包装应用中的性能。在所有测试的处理方式中，F3处理方式被认为是最优的，它能够有效去除非纤维素杂质，同时保留纤维素结构，还能提升纤维与基体的黏附力。因此，经过优化的复合材料的抗拉强度达到了45.41 ±
作者贡献说明
Vijay Laxmi Yadav：论文撰写——审阅与编辑、研究指导、资源提供。Pradeep Kumar Mishra：研究指导、资源提供。Siddh Nath Upadhyay：论文撰写——审阅与编辑。Brijesh Kumar Yadav：数据整理、定量分析。VANDNA.：定量分析、实验研究。Satyendra Kumar Satyarthi：数据整理、定量分析、实验研究。Devendra Kumar Gond：论文撰写——初稿撰写、可视化处理、项目管理、方法设计、实验研究、定量分析、数据整理、概念构思
数据可用性声明
如有需要，相应作者将会提供相关数据。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
致谢
作者感谢瓦拉纳西印度理工学院（班纳拉斯印度教大学）提供的资金支持、实验设备以及分析检测设施，尽管本研究并未获得任何公共机构、商业机构或非营利组织的资助。
Devendra Kumar Gond|Satyendra Kumar Satyarthi| Vandna|Brijesh Kumar Yadav|Siddh Nath Upadhyay|Pradeep Kumar Mishra|Vijay Laxmi Yadav
