纸桑韧皮纤维高纯度纤维素提取与醋酸纤维素合成及其可持续材料应用研究

推荐：本研究针对传统棉短绒纤维素原料的环境问题，创新性地采用纸桑(Broussonetia kazinoki)韧皮纤维(PMBFs)为原料，通过苏打-蒽醌蒸煮和优化漂白工艺获得α-纤维素含量达92.3%的溶解浆，成功合成取代度(DS)达2.66的醋酸纤维素(CA)薄膜，其拉伸强度(40.6 MPa)显著优于对照组，为生物基材料开发提供了可持续解决方案。

　　

随着全球环保意识提升，传统棉短绒作为醋酸纤维素(CA)主要原料的局限性日益凸显——其种植过程耗水量大且污染严重。与此同时，纤维素这一自然界最丰富的生物高聚物，因其可降解性和多功能性成为可持续材料研究的热点。在这一背景下，韩国国立木浦大学的Soon Wan Kweon团队将目光投向了纸桑(Broussonetia kazinoki Siebold)韧皮纤维(PMBFs)，这种天然材料不仅纤维素含量高，还具有优异的机械性能和化学稳定性。

研究团队通过系统的预处理工艺优化，成功将PMBFs转化为高性能CA材料。采用苏打-蒽醌(AQ)蒸煮结合二氧化氯(ClO₂)漂白的组合工艺，使α-纤维素含量从原料的72.9%提升至92.3%，同时保持了纤维素分子链的完整性，重量平均分子量(M_w)达515.2 kg/mol，聚合度(DP)高达3069。通过核磁共振(¹H NMR)测定，所得CA的取代度(DS)最高达2.66，表明衍生化效率优异。

关键技术包括：1) 采用苏打-蒽醌蒸煮结合多段漂白工艺纯化PMBFs；2) 通过尺寸排阻色谱-多角度激光光散射(SEC-MALS)分析分子量分布；3) 采用醋酸酐/acetic anhydride ((CH₃CO₂)O)乙酰化工艺；4) 通过热重分析(TGA)和扫描电镜(SEM)表征材料性能。

研究结果部分：

3.1.1 化学成分分析

通过TAPPI标准方法系统分析了不同处理阶段样品的化学成分。结果显示，经D₁EP三段漂白(CB3样品)后，酸不溶木质素含量从9.96%降至6.05%，木聚糖含量从8.9%降至1.4%，灰分从2.65%降至0.83%，实现了高效纯化。

3.1.2 浆料特性

光学性能测试表明，CB3样品的ISO白度达83.7%，黄度指数降至10.2%，Lab色空间分析显示亮度(L*)值提升至97.1，证实了漂白工艺对色素的去除效果。

3.1.3 分子特性

SEC-MALS分析显示CB3样品具有最窄的分子量分布(PDI=1.417)，DP_w保持3069的高水平，证实预处理在纯化同时有效保护了纤维素分子链。

3.2 CA特性

ATR-FTIR光谱在1730 cm^-1处出现明显乙酰基特征峰，¹H NMR计算显示DS与α-纤维素含量呈正相关(r=0.92)，证实高纯度纤维素更易乙酰化。

3.3 CA薄膜性能

SEM显示CB3薄膜截面结构最致密；TGA表明高DS样品热稳定性降低(T_max从369.1°C降至189.1°C)；力学测试显示CB3薄膜拉伸强度(40.6 MPa)比对照组提高160%，伸长率(6.01%)提高89%。

这项发表于《Industrial Crops and Products》的研究具有多重意义：首先，开发了PMBFs这一非木材纤维的高值化利用途径，其高DP特性为制备高强度CA材料提供了独特优势；其次，建立的ClO₂漂白工艺在保证纯度的同时最大限度保护了纤维素分子链完整性；最后，所得CA薄膜的优异机械性能拓展了其在光学薄膜、分离膜等高端领域的应用潜力。该研究为替代传统棉源纤维素提供了可靠方案，推动了生物基材料领域的可持续发展。