《Biomass and Bioenergy》：Response surface optimization of acetylated cellulose nanofiber/ZnO-reinforced poly(vinyl alcohol) films with enhanced UV-shielding and water resistance for sustainable packaging
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•采用RSM-CCD对A-CNF/ZnO增强的PVA薄膜进行了优化。•最优薄膜含有8.035 wt%的A-CNF和0.617 wt%的ZnO。•增强后，拉伸强度从24.33提高到39.19 MPa。•ZnO提高了紫外线阻隔性能，同时保持了透明性。•混合薄膜表现出改善的疏水性和
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采用RSM-CCD对A-CNF/ZnO增强的PVA薄膜进行了优化。
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最优薄膜含有8.035 wt%的A-CNF和0.617 wt%的ZnO。
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增强后，拉伸强度从24.33提高到39.19 MPa。
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ZnO提高了紫外线阻隔性能，同时保持了透明性。
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混合薄膜表现出改善的疏水性和热稳定性。
引言
在过去几十年中，基于石油的塑料在包装、医疗保健、农业和工业应用中的广泛使用不断增加，这主要归因于其低成本、优异的机械性能和良好的阻隔特性。然而，其不可生物降解性导致塑料废物的积累，引发了严重的环境问题，并对全球气候变化产生了贡献[1,2]。全球仅有约9%的塑料废物被回收，而超过80%被填埋或释放到环境中，威胁着生态系统的可持续性[3]。因此，大量努力已投入到利用可再生资源开发可生物降解包装材料中，作为传统塑料的可持续替代方案[4]。
在可生物降解聚合物中，聚乙烯醇（PVA）被认为是极具前景的包装材料，因为它具有优异的成膜性、透明性、可生物降解性、氧气阻隔性能和良好的机械特性[[5], [6], [7]]。PVA是一种合成可生物降解聚合物，在适宜的环境条件下可发生微生物降解。然而，其高浓度的羟基导致耐水性差且对湿度敏感，限制了其在潮湿条件下的实际应用[8,9]。因此，已研究了多种方法，包括聚合物共混、化学交联和纳米填料引入，以克服这些局限性[10,11]。
纤维素纳米纤维（CNFs）因其可再生性、可生物降解性、高纵横比、低密度和优异的机械性能，作为增强型纳米填料引起了广泛关注[12]。其引入已被证明可以提高聚合物薄膜的机械、热和阻隔性能[13,14]。然而，CNFs的亲水性通常限制了它们与聚合物基体的相容性，并降低了所得复合材料的耐水性[15]。表面乙酰化通过乙酰基部分替代羟基，从而降低亲水性、改善界面相容性并促进纳米填料的更均匀分散[12]。先前的研究已证明了乙酰化纤维素基材料在提高可持续包装系统性能方面的有效性[16,17]。
除了纳米纤维素，氧化锌（ZnO）纳米粒子也因其热稳定性、紫外线屏蔽能力、无毒性和抗菌活性而被广泛研究[18]。然而，其高表面能通常导致粒子团聚，这限制了在聚合物基体中的分散和界面相互作用[18]。最近的研究表明，结合纳米纤维素、表面修饰和ZnO纳米粒子可以改善可生物降解薄膜的机械、热、疏水性和功能性[10,[18], [19], [20]]。
尽管取得了这些进展，仍存在一些研究空白。乙酰化纤维素纳米纤维（A-CNF）作为增强剂在PVA薄膜中的应用关注有限，A-CNF与ZnO纳米粒子对PVA薄膜机械、热、疏水和紫外线屏蔽性能的协同效应尚未得到系统研究。此外，大多数先前的研究依赖于单一变量实验方法，对填料相互作用和配方优化提供的信息有限。采用响应面法（RSM）优化PVA/A-CNF/ZnO混合薄膜的报告也很少见。RSM是一种统计和数学方法，能够同时评估多个实验因素、它们的相互作用效应以及它们对一个或多个响应变量的影响，从而减少配方优化所需的实验数量。在RSM中，中心复合设计（CCD）提供了一个高效的实验框架，用于建立响应模型并确定最佳因素组合，使其特别适合于多种填料浓度可能对薄膜性能产生线性、交互和非线性效应的体系。
因此，本研究的目标是通过RSM平衡机械性能、耐水性和薄膜特性，开发并优化以A-CNF和ZnO纳米粒子增强的PVA基混合薄膜，用于可持续包装应用。本研究采用溶液浇铸法制备了以A-CNF和ZnO纳米粒子增强的PVA基混合薄膜。基于中心复合设计（CCD）的RSM被用于优化填料组成，同时考虑拉伸强度、薄膜厚度和水接触角。使用拉伸测试、水接触角测量、含水量、紫外-可见光谱法（UV-Vis）、傅里叶变换红外光谱法（FT-IR）、X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和能量色散X射线光谱法（EDS）对所制备薄膜的机械、热、结构、光学和耐水性能进行了全面表征。本工作的新颖性在于同时使用A-CNF和ZnO作为互补的功能填料，以及基于CCD的RSM的应用来识别它们的相互作用效应并优化多功能PVA基薄膜，用于可持续包装应用。
章节摘要
材料
聚乙烯醇（PVA；Mw 89,000–98,000 g/mol，>99%水解）购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。纤维素纳米纤维（CNFs；直径：4–10 nm，长度：1–3 μm，结晶度：92%，干粉）和氧化锌（ZnO）纳米粒子（纯度：99.5%，粒径：20–30 nm）由Nanografi（土耳其安卡拉）提供。乙酸酐（>97%）和吡啶（ACS试剂，≥99%）购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯），用于CNFs的乙酰化。丙酮
乙酰化纤维素纳米纤维（A-CNF）的表征
为了提高纳米纤维素与聚合物基体的相容性并降低其固有的亲水性，通过乙酸酐对CNF进行了乙酰化化学改性。乙酰化前后CNF的FT-IR谱图如图2所示。原始CNF的谱图显示出纤维素特征吸收带，包括在3300–3500 cm?1范围内归属于羟基（–OH）基团伸缩振动的一个宽峰，表明
结论
在本研究中，采用溶液浇铸法成功制备了以乙酰化纤维素纳米纤维（A-CNF）和氧化锌（ZnO）纳米粒子增强的聚乙烯醇（PVA）基混合薄膜，并通过基于中心复合设计的响应面法进行了优化。优化配方中含有8.035 wt%的A-CNF和0.617 wt%的ZnO，期望值为0.790，实现了拉伸强度、薄膜厚度和水接触
CRediT作者贡献声明
Kusmono：写作 – 审阅与编辑，监督，数据整理，概念化。Kadek Wahyudi：写作 – 初稿，可视化，方法论，调查。Muhammad Syaiful Fadly：写作 – 初稿，可视化，方法论，形式分析。Romi Sukmawan：写作 – 初稿，验证，方法论，形式分析。Muhammad Waziz Wildan：写作 – 审阅与编辑，验证，监督。Rushdan Ahmad Ilyas：写作 – 审阅与编辑，监督，
致谢
本研究由印度尼西亚教育基金（LPDP）资助，代表印度尼西亚高等教育部、科技部管理，并在EQUITY计划下执行（合同编号：4301/B3/DT.03.08/2025和10107/UN1.P/Dit-Keu/HK.08.00/2025）。
Kusmono|Kadek Wahyudi|Muhammad Syaiful Fadly|Romi Sukmawan|Muhammad Waziz Wildan|Rushdan Ahmad Ilyas|Yogi Angga Swasono
