聚乙烯醇(PVA)是一种可生物降解的高分子材料，其分子链中含有大量的羟基。它具有良好的亲水性、生物相容性和低毒性。采用静电纺丝技术制备的聚乙烯醇纳米纤维薄膜，在生物医用材料、能源、催化、过滤、环保等领域具有巨大的应用潜力。然而，静电纺丝纤维薄膜的力学性能较差，给其广泛的应用和发展带来了挑战。

纤维素和PVA的高亲水性，以及它们互补的机械强度，使得PVA和纤维素复合材料的广泛研究。由于纳米纤维素具有高纵横比和通过氢键形成交联网络结构的能力，即使在较低浓度下也能提高纳米复合材料的强度。因此，纳米纤维素通常被用作PVA复合材料的增强组分。

鉴于此青岛大学朱龙祥副教授团队以TEMPO氧化法制备的稻秆基纤维素纳米纤维（T-CNF）为增强材料，采用静电纺丝法制备了T-CNF增强PVA纤维薄膜。其拉伸强度和弹性模量提升了约9倍。此外T-CNF/PVA纤维膜具有良好的抗菌性能。相关工作以“Rice straw-based cellulose nanofiber reinforcing polyvinyl alcohol antibacterial film through electrospinning”为题发表于期刊《Composites Communications》。

图1：T-CNF/PVA复合薄膜的制备流程

图2：纳米纤维素的微观结构表征

红外光谱结果表明经过TEMPO氧化处理后，T-CNF在1157 cm⁻¹处的吸收峰保持不变，表明氧化反应对C2-C3键没有影响。T-CNF在1601 cm⁻¹处也表现出明显的吸收峰，这是由于纤维素在TEMPO氧化后形成的羧酸(-COO-)基团的非对称振动。T-CNF的x射线衍射图在2θ=12.5°、15.0°和22.5°处显示出(1-10)、(110)和(200)三个平面的衍射峰，表明T-CNF中存在I型和II型纤维素。XPS结果表明经过TEMPO氧化后纳米纤维素上引入了大量的含氧基团。

图3：T-CNF/PVA复合薄膜的微观形貌

将T-CNF与PVA共混，采用静电纺丝法制备了T-CNF/PVA复合薄膜。图3为纯PVA和T-CNF/PVA纤维薄膜的SEM图像。纯PVA纤维膜内纤维直径不均匀，膜表面出现少量聚集体。在PVA溶液中加入T-CNF后，T-CNF/PVA膜内纤维直径均匀性显著提高，其中T-CNF/PVA-2纤维膜均匀性最好。

图4：薄膜的力学强度测试

与纯PVA膜相比，T-CNF/PVA复合膜的拉伸强度和弹性模量均提高了约9倍。通过分子动力学模拟来揭示T-CNF对PVA的增强机制。结果表明，T-CNF与PVA分子链之间的相互作用更强，T-CNF/PVA薄膜中的分子链在应力下滑动需要更多的能量，从而提高薄膜的抗拉强度。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.coco.2024.101972