《Bioresource Technology Reports》：Structural and interfacial characterization of seaweed biocomposite films reinforced with rice husk-derived silica nanoparticles
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本研究利用稻壳制备的纳米二氧化硅（RH-SNPs）增强红海藻基生物薄膜，通过SEM、AFM、XRD和FTIR分析发现，3% RH-SNPs可使薄膜结构紧凑、界面结合紧密，提升机械和阻隔性能，为可持续包装材料开发提供理论依据。
Nur Thohiroh Md Bukhari | Rahul Dev Bairwan | Mohamad Haafiz Mohamad Kassim | Mohd Nurazzi Norizan | C.K. Abdullah | Nurul Fazita Mohammad Rawi
马来西亚槟城科学大学工业技术学院生物资源技术系，11800，马来西亚
摘要
将农海废弃物衍生的纳米材料整合到生物聚合物基体中，为开发低碳、高性能的生物复合材料提供了一条可持续的途径。在本研究中，通过溶液浇铸法将稻壳衍生的二氧化硅纳米颗粒（RH-SNPs）以1%、3%、5%和7%的不同掺量掺入原始的红藻基薄膜中。利用拉曼光谱、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对纳米复合材料的结构-形态-界面相关性进行了全面分析。与纯海藻薄膜相比，当RH-SNPs的掺量为3%时，纳米颗粒的分散性显著改善，界面相容性增强，微观结构更加致密，这通过SEM和AFM分析得到了证实，尽管嵌入的纳米颗粒导致表面粗糙度有所增加。在更高的掺量下，观察到严重的团聚现象和表面不连续性，从而导致形态上的异质性。拉曼光谱和FTIR光谱表明，在3%的RH-SNP掺量下，氢键作用和填料-基体相互作用更强；而在更高掺量下，光谱宽化表明出现了由团聚引起的结构扰动。XRD结果显示，适量的RH-SNP掺入提高了短程有序性和结晶度，而过量掺入则导致部分非晶化。这些发现表明，3%的RH-SNP掺量显著改善了材料的结构完整性和界面性能，这对于可生物降解的包装和涂层应用至关重要。本研究强调了将农业和海洋生物质残渣作为生物循环材料原料的利用价值，支持区域向可持续、低碳的生物基产业转型。
引言
不可生物降解塑料废物的快速积累已成为一个全球性和区域性的挑战，这突显了迫切需要从可再生生物质资源中开发出可持续、低碳的替代品（Mangal等人，2023；Paw?owska和Stepczyńska，2024；Zhao等人，2023）。在此背景下，由海藻和农业残渣合成的生物聚合物薄膜已成为推动生物循环经济的有希望的候选材料。特别是基于海藻的生物聚合物，由于其丰富的资源、固有的生物降解性和优异的成膜能力而受到广泛关注（Kajla等人，2024；Krishnan等人，2024）。其中，红藻因其高多糖含量和良好的机械性能而尤为突出，使其成为环保包装应用的潜在候选材料（Hazwan等人，2025；Perera等人，2021）。此外，红藻还具有良好的氧气和防潮性能，适用于环保包装和涂层应用（Sudhakar等人，2021）。然而，其固有的局限性如机械强度低、热稳定性差和屏障性能不佳限制了其更广泛的应用（Sudhakar等人，2022）。
为克服这些缺点，将基于海藻的生物聚合物与藻酸盐或琼脂等聚合物以及PEG和甘油等增塑剂混合，可以增强其机械强度、保水性、光学性能、热性能和生物性能，从而适用于各种应用（Abdul Khalil等人，2017；Perera等人，2023；Xie等人，2024）。近年来，通过纳米技术掺入各种纳米材料已成为一种流行的策略。纤维素纳米晶体、纳米粘土和金属氧化物等纳米颗粒已被探索用于提高薄膜的性能，如增强机械强度、热稳定性和屏障特性（Hong等人，2022；Jogaiah等人，2025；Zhang等人，2021）。其中，二氧化硅纳米颗粒（SNPs）因其高表面积、化学惰性和与聚合物基体建立强界面相互作用的能力而受到广泛关注，从而提高了刚性、屏障性能、表面耐久性和抗湿气及气体渗透性（Bairwan等人，2026）。最新研究表明，分散良好的纳米二氧化硅作为增强填料，能有效限制聚合物链的运动并改善界面粘附性，从而提高聚合物材料和涂层的功能性能（Saengdee等人，2024；Suwan等人，2023；Suwan等人，2025）。尽管具有这些优势，传统的二氧化硅纳米颗粒合成方法往往涉及能耗高且对环境不友好的过程。
为了应对这一挑战，将农业废弃物转化为纳米颗粒符合绿色化学和循环经济的原则。稻壳是一种富含二氧化硅（15-20%）的农业副产品，已成为绿色合成二氧化硅纳米颗粒（RH-SNPs）的可持续来源（Carneiro等人，2025；Guo等人，2021；Nzereogu等人，2023）。多项最新研究表明，RH-SNPs作为增强填料在聚丁酸丁酯和聚乳酸等生物聚合物基体中表现出优异的性能，提高了机械性能和屏障性能（Lawal等人，2024；Shahi等人，2021）。此外，通过控制热处理获得的稻壳衍生二氧化硅通常呈非晶态，这是由于二氧化硅在植物组织中的生物起源。非晶态二氧化硅由于其表面硅醇（Si–OH）基团的高密度而特别适合用于生物聚合物的增强，这有助于形成强氢键和与富含多糖的基体的界面相互作用。与结晶态二氧化硅相比，非晶态二氧化硅缺乏长程有序性，降低了应力集中并提高了与柔性生物聚合物链的相容性（Kaseem等人，2021）。然而，对于RH-SNPs在海藻基薄膜中的相互作用机制，目前仍缺乏全面的结构和分子层面的理解。
大多数现有研究主要关注拉伸强度和渗透性等宏观性能，而没有深入探讨控制这些性能提升的微观结构和界面现象。像拉曼光谱和原子力显微镜（AFM）这样的先进表征技术对于阐明纳米颗粒分散性、界面键合和晶体结构变化至关重要，但在海藻-RH-SNP复合材料中的联合应用在文献中较为罕见（Brosseau等人，2023；Yuvaraj等人，2023）。
本研究旨在填补对添加了稻壳衍生二氧化硅纳米颗粒（RH-SNPs）的海藻基薄膜的微观结构和光谱特性的理解空白。通过采用先进的表征技术，本研究旨在将纳米填料的分散性和界面相互作用与薄膜的性能联系起来。虽然我们在之前的研究中已经研究了与包装相关的性能，如吸水性和表面润湿性（Bukhari等人，2025），但本研究重点关注结构、界面和微观结构的表征，以提供关于填料-基体相互作用的基本见解。本研究的创新之处在于使用RH-SNPs作为环保、经济高效的增强填料，促进农业废弃物的增值利用，并应用了一套全面的分析方法来深入了解填料-基体相互作用，这一领域的相关研究较少。添加RH-SNPs将增强界面键合和结构有序性，提高微观结构的均匀性和功能性能。本研究旨在为设计适用于可持续包装应用的高性能可生物降解薄膜提供关键的基础见解。
本研究中使用的稻壳来自马来西亚农业研究与发展研究所（MARDI）。红藻物种来自马来西亚沙巴州的Green Leaf Synergy Sdn. Bhd。所有化学品和试剂均为分析级，并使用二次蒸馏的去离子水制备以确保纯度。实验室级硝酸（HNO?）（65%）购自德国达姆施塔特的Merck公司。二氧化硅纳米颗粒（RH-SNPs）由...
关于稻壳衍生二氧化硅纳米颗粒（RH-SNPs）的合成和基础特性已在一篇正在审稿的相关研究中进行了描述，该研究重点评估了它们对海藻基复合材料的机械性能、热性能和屏障性能的影响。添加RH-SNPs后，海藻基体的拉伸强度和刚性得到提高，在1%的掺量下达到峰值（强度约为26 MPa，模量约为157 MPa），而纯海藻薄膜的相应数值分别为约18 MPa和111 MPa。
本研究对添加了稻壳衍生二氧化硅纳米颗粒（RH-SNPs）的海藻基生物聚合物薄膜进行了全面研究，重点关注结构、形态和界面性能之间的相互关系。与纯海藻薄膜相比，低至中等掺量的RH-SNPs显著改善了微观组织结构和界面粘附性。AFM分析显示，均方根粗糙度（Rq）有所增加...
Nur Thohiroh Md Bukhari：撰写原始稿件、验证、研究。Rahul Dev Bairwan：撰写原始稿件、可视化处理、验证、方法论设计、研究、数据分析、概念化。Mohamad Haafiz Mohamad Kassim：撰写与编辑、监督、资金筹集。Mohd Nurazzi Norizan：资金筹集、数据管理。C.K. Abdullah：资源协调、研究支持。Nurul Fazita Mohammad Rawi：撰写原始稿件、监督、项目管理。
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
