可生物降解菠萝叶纤维模塑片的加工、结构表征与土壤掩埋降解

《Journal of Natural Fibers》：Processing, Structural Characterization, and Soil-Burial Degradation of Biodegradable Molded Sheets from Pineapple Leaf Fiber

　　

摘要：菠萝叶纤维(PALF)作为一种丰富的木质纤维素农业副产物，是可持续纤维基材料极具潜力的可再生资源。在本研究中，研究人员通过序列式碱性(NaOH)处理(5%，90–100°C)与氧化(H₂O₂)漂白，再经由直接低能耗制片，成功制备出由PALF制成的可生物降解模塑片。利用扫描电子显微镜(SEM)与傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析其结构与形态特征。SEM观察显示，纤维呈原纤化且细长状态，形成具有凝聚力且相互重叠的网络结构；而FTIR分析则证实木质素与半纤维素已部分去除，表现为波数约1730?cm^?1及1510–1600?cm^?1处峰强度降低。土壤掩埋试验表明，在60天内发生渐进式生物降解，平均质量损失达28.4%，且在第28天观察到具有统计学意义的增加(p?2·day支持这一结论。这些发现确立了化学处理、纤维结构与环境降解行为之间的明确关联。本研究提供了一种简化且具可扩展性的方法；然而，机械与生物性能尚未进行评估，应在未来工作中加以探讨。

**研究背景与问题**
随着对可持续、可生物降解材料需求的增长，天然纤维因其可再生性和环境友好性受到广泛关注。传统纤维基产品多源自石油基材料，导致废弃后难以降解、造成环境持久性污染。木质纤维素纤维（如农业副产物）因低密度、可再生、表面官能团丰富等特点，成为发展生态友好型纤维基材料的理想替代品。菠萝叶纤维（PALF）作为菠萝种植区常见副产物，通常被丢弃或焚烧，造成资源浪费与环境污染。已有研究主要将PALF用作聚合物复合材料增强体，但针对其作为可生物降解模塑片材的开发，尤其是加工-结构-降解行为间的关联，仍缺乏系统探讨。化学改性（如碱处理与氧化漂白）可选择性去除木质素、半纤维素等非纤维素组分，提升纤维纯度与原纤化程度，进而影响片材成型与降解性能。为此，本研究旨在建立PALF基可生物降解模塑片的加工参数、微观结构与环境降解行为之间的关系，为可持续材料设计提供科学依据。相关成果发表于《Journal of Natural Fibers》。

**主要技术方法**
研究人员采用简化且低能耗的工艺路线：首先对泰国Prachuap Khiri Khan省Sam Roi Yot地区采集的Pattavia品种菠萝叶纤维进行碱处理（5% NaOH，90–100°C，2小时，总处理时间4小时）与氧化漂白（5% H₂O₂，60°C，1小时），随后在NaOH溶液中浸泡24小时以增强纤维柔性与原纤化，再经水洗至中性、纸浆均匀铺展于模具筛上、自然干燥及75°C烘箱干燥24小时，制成模塑片。关键表征技术包括：（1）扫描电子显微镜（SEM，JEOL JSM-IT500，东京）在5–15 kV加速电压及500–5000倍放大倍数下观察纤维形态与原纤化程度；（2）傅立叶变换红外光谱（ATR-FTIR，Bruker Tensor 27，德国）在4000–400 cm^?1范围、4 cm^?1分辨率下分析化学官能团变化；（3）模拟土壤掩埋降解实验（土壤pH初始7.0–7.5，水分维持约20%，温度28–32°C），计算质量损失率并采用单因素方差分析（ANOVA）及Tukey事后检验（α=0.05）进行统计比较。

**研究结果**
**物理性能**
SEM观察表明，经化学处理后，纤维实现有效分离与原纤化，形成致密、细长且相互交织的网络结构。进一步碱处理（额外24小时浸泡）改善了纤维柔性与可加工性。模塑片的水蒸气透过率（MVTR）为338.880±1.969 g/m²·day，该值落在正常人体皮肤MVTR范围（200–500 g/m²·day）内，提示其具备维持伤口湿润环境的潜力，但本研究未进行抗菌活性、细胞毒性等生物学验证。

**FTIR光谱**
FTIR谱图显示PALF典型木质纤维素特征峰：3337 cm^?1（O–H伸缩，羟基）、2921/2852 cm^?1（C–H伸缩，亚甲基与甲基）、1730 cm^?1（C=O伸缩，半纤维素酯基与乙酰基）、1607 cm^?1（芳环C=C骨架振动，木质素）、1425 cm^?1（CH₂剪式振动，纤维素结晶性）、1151 cm^?1（C–O–C糖苷键不对称伸缩）及1029 cm^?1（C–O伸缩，多糖指纹区）。与文献中未处理纤维相比，1730 cm^?1与1510–1600 cm^?1处峰强度显著降低，证实碱性-氧化处理有效去除了半纤维素与木质素，使纤维素富集。

**降解测试**
在60天土壤掩埋试验中，模塑片质量损失呈渐进式增加，平均损失率达28.4%。第28天时质量损失出现统计学显著增加（p<0.05），而第15天与第0天之间差异不显著。降解过程中土壤pH从7.0–7.5略微降至6.5–7.0，温度维持在33.3–35.0°C，水分含量约为70–72%（无显著变化）。降解机制主要归因于土壤微生物（如纤维素酶、木质素酶）对木质纤维素结构的作用；化学处理移除无定形组分（如半纤维素）后，纤维素更易被微生物攻击，从而加速降解。

**讨论与结论**
研究系统建立了PALF模塑片的化学处理-微观结构-环境降解行为之间的明确关联。碱性与氧化处理有效去除非纤维素组分，增强纤维原纤化与片材整体性；FTIR光谱证实纤维素富集，这有利于材料的亲水性与水分管理性能。土壤掩埋降解实验证明材料在模拟自然条件下具有可降解性，60天内质量损失达28.4%。MVTR值表明该材料具备维持伤口湿润环境的潜力，为未来伤口敷料应用提供了初步材料学基础。然而，本研究明确指出了当前工作的局限性：机械性能（如拉伸强度）和生物性能（如抗菌活性、细胞毒性）均未评估，这些是未来研究的必要方向。此外，PALF组成受植物品种、叶龄等因素影响，需通过标准化分级与FTIR指纹图谱建立质量控制体系。总体而言，该研究为将农业废弃物转化为可持续可生物降解模塑片材提供了简化、可扩展的工艺路线，并对热带地区菠萝叶资源的附加值利用具有社会经济意义。**结论**部分原文翻译：本研究证明，菠萝叶纤维（PALF）作为一种未被充分利用的木质纤维素农业残留物，可通过碱性与氧化处理有效加工成可生物降解模塑片。SEM分析证实了纤维原纤化的增强和凝聚性片材结构的形成，而FTIR分析表明木质素和半纤维素被部分去除，形成了纤维素富集的纤维网络。土壤掩埋实验进一步揭示了模塑PALF片随时间推移的渐进降解。平均质量损失在60天时达到约28.4%，从第28天起观察到统计学显著增加（p<0.05）。此外，FTIR在~1730 cm^?1处峰强度的降低支持了处理过程中半纤维素的去除。该材料的结构特性和水蒸气透过率（MVTR）值为338.880±1.969 g/m²·day，表明其具有伤口敷料应用的初步潜力。然而，本研究属于初步材料学调查，需进一步评估机械和生物性能。