研究背景：

非织造布已成为纺织产品中的一个不断扩大的领域，而这种使用寿命相对较短的一次性非织造制品可能会导致严重的环境问题。全球对可持续发展的倾向促使人们对使用可生物降解的可再生生物基材料制作无纺布产生了浓厚的兴趣。PHBH在海洋微生物的酶降解作用下完全转化为二氧化碳和水，有望有效缓解海洋微塑料污染，已被广泛用于制造塑料袋和一次性吸管，并已被研究用于用熔融纺丝吹制成微米大小的纤维。静电纺丝是一种获得纳米纤维无纺布的有效方法，但静电纺非织造PHBH纤维的力学性能较差。纳米二氧化硅、蒙脱土、碳纳米管、和玻璃纤维等填料已被用于增强PHBH的力学特性。然而，可持续生物降解聚合物填料的使用仍然面临挑战。而纤维素纳米纤维(CNFs)是通过将纸浆和木屑等植物纤维精细分解成纳米纤维而制备的，是可降解的生物基材料，即使被释放到海洋中也不会造成任何环境问题。

研究内容：

日本的Yoshiyasu Nagakawa等人将含有疏水聚合物的皮克林乳剂与机械除纤维的未经处理的CNFs直接静电纺丝制备了无纺布纤维，所制备出的CNF增强的 PHBH是一种含有完全生物质衍生成分的海水降解生物塑料。CNFs被包裹在PHBH纤维的核心中。CNF增强纤维表现出优异的韧性。并且验证了所制备薄膜的海水降解性能。

主要研究结果：

1. a)制备含CNF的PHBH纤维。CNF/水悬浮液和PHBH/CHCl3溶液均质形成皮克林乳剂，其中颗粒被CNF包裹。L-6.3乳液的图像显示。高度排列的含CNF的PHBH纤维是通过将乳液直接静电纺丝到旋转的收集器上获得的。(b-g)形态分析。以高速(12.6 m s-1)采集的(b和e) CNF和(c和f)含CNF纤维的静电纺丝对齐薄片的SEM图像。(d和g)单个含CNF纤维的透射电镜图像。(b-d)和(e-g)分别表示短CNF和长CNF。(h) CNF铸膜和S-6.3、L-6.3和无CNF纤维片的WCA。(i) PHBH、S-6.3纤维、L-6.3纤维和CNFs的ATR-FTIR光谱。(j) C=O衍生峰的放大区域。

2. (a-e) 2D SAXS图。(a)排列的无CNF纤维，(b)排列的L-6.3纤维，(c)无CNF膜，(d) L-6.3膜，(e) CNF铸膜。箭头表示纤维排列方向。(f-h)一维SAXS剖面。(f)不含CNF的PHBH纤维，(g)含CNF的排列纤维，以及(h)含CNF和不含CNF的薄膜。

3. (a)排列的L-6.3和S-6.3纤维、无CNF纤维、L-6.3基和无CNF薄膜(分别为棕色、绿色、黄色、蓝色和青色)的应力-应变曲线和(b)韧性数据。星号表示差异有统计学意义(p < 0.05)。

4. 有/没有CNFs的纤维片和薄膜的海水降解试验:(a和b)原位和(c和d)体外试验。(a、c)和(b、d)分别为试样的表观形貌和失重数据。

5. 试样降解试验前后的SEM图像(比例尺= 5 μm)

6. GPC分析结果:(a)数均分子量Mn， (b)重均分子量Mw， (c)多分散性指数Mw/Mn。

7. (a)降解试验前后标本的结晶紫染色。(b)原位浸泡(泵房)7 d， (c)原位浸泡(水箱)7 d， (d)体外浸泡112 d后降解的L-6.3纤维的扫描电镜图像。

研究结论：

含CNF的PHBH非织造纤维比PHBH纤维和无CNF薄膜具有更高的弹性模量、拉伸强度和均匀伸长率。L-6.3取向纤维具有较高的韧性，分别是PHBH薄膜和无CNF纤维的11倍和22倍。这些特性可以归因于纤维内密集纠缠的CNF芯和CNF - PHBH界面上的氢键。含CNF纤维在7-10 d内被海水微生物降解，其降解速度远快于PHBH膜和无CNF纤维。CNF表面的化学处理是将CNF分散在疏水聚合物基体中的常用方法;然而，皮克灵乳剂的静电纺丝是一种更简单的大规模生产方法，因为机械去纤维CNFs可以直接使用。此外，CNF增强的非织造PHBH纤维是一种完全生物来源的塑料，也就是说，源于自然并回归自然，因为CNFs和PHBH都来自生物质，是可生物降解的。这种材料可能有助于摆脱以石油为基础的社会，解决海洋塑料污染问题。

参考文献：

Seawater-degradable, tough, and fully bio-derived nonwoven polyester fibres reinforced with mechanically defibrated cellulose nanofibres

原文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/EN/D2EN00441K

DOI: 10.1039/d2en00441k