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为解决塑料污染问题，提升聚（3 - 羟基丁酸酯 - 共 - 3 - 羟基戊酸酯）（PHBV）性能，研究人员探究广藿香纤维废木质素和咖啡渣（SCG）作 PHBV 复合材料生物填料的效果。结果表明，4% 填料时，木质素增强拉伸强度和热稳定性，SCG 提升断裂伸长率和生物降解性。该研究助力可持续包装发展。
在如今这个环保意识日益强烈的时代，塑料垃圾对环境造成的危害愈发严重，尤其是在包装行业，大量的塑料包装废弃物成为全球塑料污染的重要来源。传统的石油基塑料不仅难以降解，在自然环境中留存时间长，还会对生态系统造成持久的破坏。而聚（3 - 羟基丁酸酯 - 共 - 3 - 羟基戊酸酯）（PHBV）作为一种由微生物发酵可再生资源产生的生物聚合物，因其具有可生物降解性、可再生性、生物相容性和无毒等优点，成为了包装材料领域备受瞩目的 “潜力股”。然而，PHBV 的推广应用之路并非一帆风顺，较高的生产成本和相较于传统塑料不够理想的机械性能，成为了阻碍它广泛应用的 “拦路虎”。为了让 PHBV 更好地在包装领域发挥作用，科研人员开始寻找各种方法来提升它的性能，其中，添加生物填料成为了一个极具前景的研究方向。
在这样的背景下，印度尼西亚 Syiah Kuala 大学的研究人员开展了一项别具意义的研究。他们将目光聚焦在两种来自农业和食品行业废弃物的生物填料上，分别是从广藿香纤维废料中提取的木质素以及咖啡生产过程中的主要副产品咖啡渣（SCG），探究它们作为生物填料添加到 PHBV 基复合材料中的效果。最终研究发现，在添加量为 4% 时，木质素填充的复合材料展现出更高的拉伸强度（37MPa）和热稳定性（273°C 开始降解），而咖啡渣填充的复合材料则在断裂伸长率（2.42%）和生物降解性（四个月内质量损失 28%）方面表现更优。这一研究成果发表在《Bioresource Technology Reports》上，为可持续包装材料的发展提供了新的思路和方向，对推动环保包装行业的进步具有重要意义。
研究人员在开展这项研究时，主要运用了以下关键技术方法：首先对提取的木质素和咖啡渣进行了表征，通过扫描电子显微镜（SEM）在 3000× 和 8000× 放大倍数下分析其表面形态，以此评估它们作为生物填料在 PHBV 复合材料中的适用性；之后，将生物填料加工成微粒，利用双螺杆挤出机以 2%、4%、6% 和 8%（w/w）的比例添加到 PHBV 中，再通过压缩成型制成复合材料；最后对复合材料的功能、热、机械、水阻隔和生物降解性能进行评估。
生物填料的表征
通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现，咖啡渣的表面呈现出紧凑、不规则且粗糙的形态，这一表面特征可能会对其与 PHBV 的结合以及复合材料的性能产生影响。而对于从广藿香纤维废料中提取的木质素，虽然未详细描述其 SEM 下的特征，但可以推测，其独特的化学结构和物理特性也将在复合材料中发挥作用。
不同生物填料对 PHBV 复合材料性能的影响
- 机械性能：在填料添加量为 4% 时，木质素填充的复合材料展现出了 37MPa 的拉伸强度，这表明木质素能够有效增强复合材料的刚性，使其更适合用于对强度要求较高的刚性包装应用。而咖啡渣填充的复合材料则在断裂伸长率方面表现出色，达到了 2.42%，说明咖啡渣的加入使复合材料具有更好的柔韧性，更适合用于需要一定弹性的包装场景。
- 热稳定性：木质素填充的复合材料在热稳定性方面优势明显，起始降解温度达到 273°C。这意味着在高温环境下，木质素能够有效提高复合材料的稳定性，防止其过早分解，拓宽了复合材料的应用温度范围。
- 生物降解性：咖啡渣填充的复合材料在生物降解性方面表现突出，在四个月内质量损失达到 28%。这一数据表明，咖啡渣的加入显著提升了复合材料的生物降解速度，使其在环保包装领域具有更大的应用潜力，能够更快地在自然环境中分解，减少对环境的压力。
- 水阻隔性能：虽然文中未明确给出两种生物填料对水阻隔性能的具体影响数据，但可以推测，不同的生物填料可能会改变复合材料的微观结构，进而影响其对水分的阻隔能力，这方面还需要进一步深入研究。
研究结论与讨论
综合上述研究结果，广藿香纤维废料中的木质素和咖啡渣作为生物填料，在改善 PHBV 基复合材料的性能方面都具有独特的优势。木质素填充的复合材料更适合用于刚性包装，能够满足对强度和热稳定性要求较高的产品包装需求；而咖啡渣填充的复合材料则在柔韧性和生物降解性上表现优异，为一次性、柔性包装材料的发展提供了新的选择。
然而，研究也发现，随着填料添加量的增加，会出现填料团聚的现象，这会对复合材料的性能产生负面影响。因此，在实际应用中，需要进一步优化填料的添加量和加工工艺，以充分发挥生物填料的优势，同时避免团聚等问题带来的不利影响。
这项研究的重要意义在于，为可持续包装材料的开发提供了基于农业和食品废弃物的生物资源高效利用解决方案。通过将广藿香纤维废料和咖啡渣这些原本被视为废弃物的材料转化为有价值的生物填料，不仅减少了废弃物对环境的压力，还为包装行业提供了更加环保、经济的材料选择，推动了可持续发展理念在包装领域的实践，为未来生物基包装材料的研究和发展奠定了基础。
