活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭加淀粉復合膜的物理性能

　　為了開發可持續發展的綜合性工業材料，開發了一種活性炭加淀粉復合膜。活性炭似乎是淀粉基生物材料的一種很有前途的添加劑。它是一種無毒、相對便宜的化合物，據報道顯示，它具有許多額外的物理和電化學特性。粉狀活性炭具有微晶結構，經過加工形成內部孔隙。孔隙率的增加導致吸收表面的增加。它是一種對各種化合物具有高吸收能力的材料。它允許活性炭用作生物傳感器，廣泛應用于水和空氣凈化過程以及高級氧化過程。本次研究添加活性炭對天然多糖聚合物的復合材料的機械、阻隔和表面性能的影響。

　　活性炭淀粉膜的特性

　　我們分別測試了活性炭膜的拉伸、劃痕、壓痕、濕潤性和滲透率。具體參數請咨詢我們獲得，拉伸強度和最大應變由單軸拉伸試驗確定。使用配備有200N最大載荷傳感器的測試儀進行測量。樣品為矩形，寬約3.5mm(每個樣品的精確值測量精度為0.01mm)，長20mm。樣品的厚度范圍為0.060毫米至0.110毫米，并在每次測試前以0.001毫米的精度進行測量。夾具之間的初始距離始終為11毫米，樣品以0.5毫米/分鐘的速度拉長。對每個樣品進行五次獨立的拉伸試驗。水蒸氣滲透率使用重量法測量，基于在嚴格限定的條件下測量薄膜覆蓋容器隨時間的質量損失(圖1)。容器中裝有蒸餾水并用薄膜密封等。

　　圖1：用于水蒸氣滲透率測試的淀粉復合膜覆蓋容器的圖像。

　　具有不同百分比的原料活性炭和熱塑性淀粉(TPS)的X射線衍射(XRD)測量結果顯示在圖2ab中。在原活性炭粉末的X射線衍射圖中(圖2a)，可以在大約2θ=25°和44°處分辨出兩個非常寬的衍射峰，對應于碳的(002)和(001)晶面，以及一些半峰寬相對較窄的峰。寬峰的存在表明原料活性炭結構中非晶相的含量很高。然而，窄峰的存在表明測試粉末中結晶相的含量。

　　圖2：(a)原料粉狀活性炭的XRD圖，(b)含0%(C0)、1%(C1)、2%(C2)、3%(C3)、4%(C4)、5%(C5)、10%(C10)和15%(C15)活性炭的熱塑性淀粉樣品的XRD圖。

　　源自填料的活性炭薄膜的機械性能沒有嵌入生物聚合物基質中。圖2b所示的衍射測試結果得到證實。注意到活性炭傾向于團聚。聚集是一個多尺度問題，與納米粒子的形態、質量和化學性質有關。然而，研究聚合過程超出了本研究的范圍。這項工作的主要目標是確定活性炭添加對聚合物薄膜物理性能的影響。所得結果表明物理性質與添加劑的量之間沒有單調關系。在進一步的研究中，我們打算分析材料的內部結構，重點關注添加劑顆粒的團聚，這會減少活性炭和生物聚合物基質之間的有效接觸面積，并充當內部應力集中器。上述影響會影響復合材料的機械性能。

　　進一步的研究可能集中在測定所得薄膜的吸附效率上。此外，由于活性炭的特征結構，可以假設以這種方式獲得的生物復合材料作為創新包裝或作為可生物降解的吸附墊(例如，用于重金屬離子)可能具有額外的保護特性。為了改變生物聚合物的物理性質，活性炭的添加比例為干淀粉重量的1-5%、10%和15%。結果，獲得的薄膜顯著改變了它們的顏色，從C0樣品的透明到C15樣品的完全黑色和不透明。通過超納米壓痕、納米劃痕和微拉伸試驗對富含粉末活性炭的淀粉基生物聚合物進行了檢測。由于已知生物復合膜的機械性能與其結構相關，因此使用X射線衍射研究了添加活性炭的影響。通過原子力顯微鏡和接觸角測量研究表面形態和潤濕性。阻隔性能由水蒸氣滲透率和水溶性指數確定。

　　活性炭加淀粉復合膜是基于源自可再生自然資源的熱塑性淀粉的可生物降解聚合物。它們由無毒材料制成，用于短期使用，可用于農業領域的地膜、袋子和可堆肥制品等產品。這種比傳統包裝更便宜的替代品，可以提高食品質量和安全性，同時降低成本，可以與食物垃圾一起堆肥。此外，使用活性炭作為填料會改變聚合物的顏色，從而保護包裝產品免受光照。包裝材料中的色調改性也可能具有營銷功能。

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