聚合物技术的出现和合成纤维材料大规模的生产，给人们生活带来了极大的便利，但是随之而来的负面影响是生态环境污染及难以生物降解的问题[1,2]。而天然纤维作为补强材料受到了广泛的关注。研究发现，天然纤维是传统合成的玻璃纤维和碳纤维的有效替代品，在显著提高共混材料性能的同时，具有良好的生物降解性[3]。因此，当前研究工作的重点在于利用天然纤维与传统的材料共混，制备具有优异性能的可生物降解材料，以解决塑料带来的难以降解的问题[4,5]。在天然纤维中，蚕丝纤维(SF)以其良好的强度和光泽著称，结构上SF是一种链状蛋白质聚合物，由甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸等氨基酸组成[6]。且多肽链彼此之间可以形成氢键网络，从而使其能够具有更高的强度和性能[7]。研究表明，SF具有良好的抗微生物性、透氧性和生物相容性，在医疗制药领域也具有潜在的应用前景[8]。

另一方面，聚乙烯醇（PVA）是可生物降解的水溶性聚合物，以其出色的高强度、抗撕裂性、柔韧性以及成膜能力而著称[9]。聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）是含有高极性侧基的乙烯基聚合物，它是一种高度无定形的聚合物，由于存在刚性吡咯烷酮基团，因此具有较高的玻璃化转变温度（Tg)[10]，二者作为共混材料的研究较多[11,12]。

本实验制备了不同配比的SF-PVA/PVP膜复合材料，并研究了SF的用量对复合材料膜结构、力学性能和生物降解能力的影响。结果表明，SF的加入可以显著提高PVA/PVP膜复合材料的力学性能，拉伸强度和弹性模量显著提高，断裂伸长率明显降低；光学显微镜照片及SEM照片结果表明，SF与PVA/PVP膜复合材料具有良好的相容性，当SF用量过多时会出现团聚的现象；土壤生物降解实验表明，SF用量的增加会提高复合材料的土壤微生物降解能力。本实验为SF在塑料基质中的广泛应用提供了一种途径，在提高复合材料力学性能的同时可以改善材料的生物降解性。

蚕丝纤维(SF)，浙江金溢娟纺有限公司；聚乙烯醇(PVA),1788，密度1.269 g/cm3，宁夏金大地有限公司；聚乙烯吡咯烷酮(PVP),K90，连云港荣和材料公司；十二烷基硫酸钠(K12)、碳酸钠(Na2CO3)，工业品，无锡新泰化学试剂有限公司。

万能拉力实验机，XMR500，江苏机械仪器制造公司；扫描电镜(SEM),S-4700，日本电子公司；光学电子显微镜，E800-Nikon，日本尼康公司；红外光谱仪，Nexus 8700，美国TA公司；烘箱，YF-405，江苏精工仪器制造厂；磁力搅拌器，RH basic，德国艾卡公司。

表1为SF-PVA/PVP复合材料的基本配方。为了除去黏附在SF上的杂质，对SF进行脱胶处理。使用0.6 g/L的K12和0.5 g/L的Na2CO3,100℃对蚕丝进行碱脱胶处理20 min，随后将纤维用蒸馏水洗涤，并完全干燥后切成小块状，用研钵将其研碎至粉末状待用。SF增强的PVA/PVP膜是通过混合不同质量分数的SF和PVA来制备的，因此保持PVP的质量恒定。以蒸馏水作为溶剂，使用磁力搅拌器80℃将SF-PVA/PVP溶液混合约6 h，为防止SF发生团聚并增强其在PVA/PVP基质中的分散性，将溶液120 Hz超声处理30 min，将溶液倒入培养皿中，并保持在75℃的烘箱中将水分蒸发完毕，即可制备得到SF-PVA/PVP薄膜，然后保存在干燥器中待进一步使用。

红外光谱分析：采用溴化钾（KBr）压片制样，将样品和KBr干燥并混合，然后在压片机中将它们压片成型，用作FTIR测量使用。

扫描电镜（SEM）分析：使用SEM分析复合膜的表面形态。使用导电胶将部分薄膜样品固定并安装到托盘上，表面喷金处理，在20 kV的电压下记录样品的显微照片。

光学显微镜分析：使用光学显微镜观察复合膜的形貌，放大倍数分别为20倍和40倍。

力学性能分析：薄膜的力学性能按ASTMD882—1997标准规定的方法A进行测量。所用仪器为万能拉力实验机，在25℃的条件下，机器载荷为5 kN，测试速度设置为50mm/min。在进行测试之前，将测试样品在25℃和40%相对湿度的室内放置24 h，取5个样品的平均值作为最后测试结果。

土壤掩埋膜材料降解测试：复合膜的生物降解测试在环境温度（25～32℃）下进行，掩埋时间49 d，将每种预先称重的复合膜样品（5 g）放在装有潮湿土壤的带孔盒子中，埋入土壤表面下100 mm处，并定期用蒸馏水润湿。在规定的时间点取出试样，并仔细清洗以除去表面土壤，干燥至恒重并称重。失重率(w)计算公式为[13]:

式(1)中：w0为样品初始质量；wt为样品测试时间的剩余质量。

图1为SF-PVA/PVP和PVA/PVP复合材料的红外谱图。从图1可以看出，在PVA/PVP复合材料中加入SF后，红外谱图吸收峰发生了明显变化，在3 300和2 973 cm-1处显示出较宽的吸收带，对应的分别是SF中—N—H和C═O拉伸振动峰，1 645和1 536 cm-1处对应的是SF中的酰胺键，酰胺键加宽主要是由于PVA的—O—H和SF的—N—H和C═O基团之间分别出现了强氢键[14]。图1的结果表明，SF已经成功接枝到PVA/PVP膜上。

图2为PVA/PVP薄膜和SF-PVA/PVP薄膜复合材料的SEM照片。从图2a可以看出，PVA/PVP膜的表面均匀，较为平整，没有纤维状结构。随着SF用量的增加，在SF-PVA/PVP薄膜的表面发现光滑度逐渐降低，并且膜显得较为粗糙（图2b、c、d）。SF用量较少时，纤维可以较好地分散在整个PVA/PVP薄膜基质中，原因是SF的极性官能团与PVA/PVP共混物的极性链段具有良好的相互作用，相容性较好[15]。在SF用量达到30%时，SF与基质的黏附较少，从而导致膜均匀平整度性下降。

图3为SF-PVA/PVP薄膜复合材料的光学照片。由于薄膜复合材料的透明性，SF浓度较低时，纤维在整个PVA/PVP基质中充分分散，因此SF较难以识别。而在较高浓度下，SF会团聚并缠结，导致分散性差[16]，因此无法进行有效的观察研究。本实验用20%SF的SF-PVA/PVP薄膜复合材料可以很好地观察到SF的相形态，SF较少且整齐地分散在PVA/PVP基质中，纤维的厚度分散较为均匀。

图4为SF用量对PVA/PVP薄膜和SF-PVA/PVP薄膜复合材料力学性能的影响。从图4a可以看出，随着SF用量的增加，复合材料的拉伸强度从11.9 MPa增加至35.4 MPa，增长率达到197.5%，弹性模量从201 MPa增加至277 MPa，增长率达到37.8%。分析认为，SF与PVA/PVP聚合物基质之间形成了较强的化学作用，如氢键，因此显著提高了复合材料的强度。图1的红外光谱图中1 645和1 536 cm-1处较强的吸收峰也有力地印证了这点。而PVA/PVP薄膜的断裂伸长率最高，断裂伸长率随着SF含量的增加而降低，从160%降低至53%，该结果主要归因于PVA/PVP聚合物基质浓度的降低，SF在分子链中聚集导致材料的延展性降低，因此刚性提高，断裂伸长率降低。

图5为PVA/PVP薄膜和SF-PVA/PVP薄膜复合材料土壤降解实验图。

从图5可以看出，随着时间的延长，膜材料的降解率逐渐增加，当反应时间从7 d增加至49 d时，PVA/PVP薄膜的降解率由7.7%增加为23.2%。与没有添加SF的PVA/PVP薄膜相比，随着SF用量的增加，SF-PVA/PVP薄膜的生物降解率显著提高，这表明薄膜中添加SF会对于生物降解率表现出有利的影响。

本实验制备了不同配比的SF-PVA/PVP薄膜复合材料。红外光谱特征峰表明，SF已经成功地与PVA/PVP薄膜结合，且PVA与SF之间形成了强氢键；SEM及光学显微照片表明，SF与PVA/PVP薄膜具有良好的相容性，随着SF用量的增加，SF-PVA/PVP薄膜复合材料的力学性能显著提高，材料的延展性降低，因此刚性提高，断裂伸长率降低。土壤降解实验结果表明，在PVA/PVP薄膜中添加SF可以有效提高材料的生物降解能力。本实验对于SF在塑料基质的应用提供一种新的方法，为聚合物材料生物降解的研究提供了一定的参考。