基于壳聚糖与马占相思树牛皮纸木质素复合生物塑料的制备与性能研究

为应对传统塑料污染难题，印尼研究人员创新性地将壳聚糖(Chitosan)与木质素(Lignin)复合，开发出具有34.82 MPa拉伸强度和优异UV屏蔽性能的生物塑料。该材料通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和热重分析(TGA)证实了组分间相互作用，其180天土壤降解率达26%，为可持续包装材料提供了新选择。

　　

随着全球塑料污染问题日益严峻，传统石油基塑料难以降解的特性导致生态环境持续恶化。统计显示，仅食品包装领域每年就产生数百万吨塑料垃圾，这些材料在自然环境中可存续数百年。在此背景下，开发可降解的生物基塑料成为解决"白色污染"的关键突破口。壳聚糖(Chitosan)作为自然界储量第二大的多糖，虽具备良好的成膜性和生物相容性，但单独使用时存在机械强度低(通常<10 MPa)、热稳定性差等缺陷，严重制约其实际应用。

针对这一技术瓶颈，印度尼西亚楠榜大学农业技术系的研究团队创新性地选择当地丰富的马占相思树(Acacia mangium)牛皮纸木质素(Kraft Lignin)作为增强填料，通过溶液浇铸法制备了壳聚糖/木质素复合生物塑料。该研究发表在《Journal of Renewable Materials》期刊，系统评估了不同酸溶剂体系对材料性能的影响，并揭示了组分间的相互作用机制。

研究采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、热重分析(TGA)等表征手段，结合力学测试和土壤埋藏实验。关键样本包括从当地造纸工业副产物中提取的木质素(纯度82.66%)和虾壳来源的壳聚糖(脱乙酰度80%)。

3.1 pH与物理性能

研究发现3%乙酸溶解的壳聚糖与木质素复合后形成均质弹性薄膜，而乳酸体系易粘连，柠檬酸体系则产生裂纹。pH值测定显示乙酸体系(pH 5.02)最有利于组分分散，这与氨基质子化程度密切相关。

3.2 机械性能

乙酸体系复合材料的拉伸强度达34.82±3.28 MPa，显著高于PVA增塑体系(0.98±0.94 MPa)。Young's模量18.54 MPa表明材料兼具刚性和韧性，归因于木质素酚羟基与壳聚糖氨基形成的氢键网络。

3.3 FTIR分析

3287 cm^-1处宽峰证实了组分间氢键作用，1554 cm^-1处酰胺II带位移说明分子间相互作用改变了壳聚糖构象。木质素的引入使薄膜透光率降低，证实其光散射效应。

3.4 热稳定性

TGA显示复合材料的残炭率(28.23%)显著高于纯壳聚糖(14.61%)，400-600℃质量损失对应木质素苯环结构分解，表明其可有效提升材料耐热性。

3.5 水蒸气渗透性

水蒸气透过率(WVTR)1510.2640 g/m²/24 h，略高于纯壳聚糖薄膜，但优于聚乳酸(PLA)等商用生物塑料，这种适度透气性特别适合新鲜农产品包装。

3.6-3.9 功能特性

紫外光谱显示复合材料在800 nm处吸光度达46.5585，具备卓越的UV屏蔽能力；接触角98.5°证实木质素提升了表面疏水性；XRD分析显示结晶度从26.28%增至37.80%，但晶粒尺寸从30.67 nm减小至5.487 nm，这种微结构变化解释了材料柔性增强的现象。

3.10 生物降解性

180天土壤埋藏实验显示，材料初期(30天)出现孔洞结构，最终质量损失26%。降解速率受El Ni?o气候现象影响，干燥条件延缓了微生物分解进程，但明显优于传统塑料的百年级降解周期。

该研究通过多尺度表征揭示了壳聚糖-木质素复合材料的构效关系，证实木质素作为天然增强剂可同步提升材料的机械性能、热稳定性和功能特性。特别值得注意的是，采用造纸工业副产物木质素不仅降低了成本，更实现了"以废治污"的循环经济理念。尽管在水蒸气阻隔性能方面仍需优化，但该材料展现的UV防护、可控降解等特性，使其在农产品包装、可降解地膜等领域具有明确的应用前景。研究团队Pelita Ningrum等提出的乙酸溶剂体系优化方案，为生物基复合材料的工业化生产提供了重要参考。