由异山梨醇-塑化玉米淀粉与绿色石墨烯增强制成的可生物降解生物复合材料：具备优异性能，适用于可持续发展领域

《Polymer Composites》：Biodegradable Biocomposites of Isosorbide-Plasticized Corn Starch Reinforced With Green Graphene: Enhanced Properties for Sustainable Applications

新型异 sorbide增塑玉米淀粉基复合材料及绿色石墨烯（G99和G92）的制备与性能研究表明，异 sorbide作为增塑剂可显著抑制淀粉重结晶，提升材料热稳定性（TGA显示分解温度提高约20℃）、机械强度（动态力学分析显示玻璃化转变温度提高至-27.9℃）和抗水分吸湿性（95% RH下吸水率降低30%）。其中，G92（8%氧）因更强的氢键作用与淀粉结合，在3%添加量时达到最佳分散效果，使材料刚度提升（E'值达269MPa），且UV屏蔽效率提高50%。土壤埋藏测试表明，添加1-3%石墨烯可使材料生物降解速率提高2-3倍，且异 sorbide增塑材料在4个月后仍保持98%结晶度稳定性。

　　在当今社会，随着对环境问题的关注日益增加，寻找可替代传统石油基塑料的环保材料成为科研与工业界共同的目标。玉米淀粉作为一种天然的、可再生的生物聚合物，因其来源广泛、成本低廉、可生物降解等特性，被视为一种具有潜力的生物基材料。然而，天然玉米淀粉在加工过程中容易发生降解，限制了其作为热塑性材料的应用。因此，通过添加合适的增塑剂来改善其热塑性成为研究的重点。传统的增塑剂如甘油因其良好的加工性能和低成本而被广泛应用，但其与淀粉分子之间的相互作用较弱，容易导致淀粉分子重新结晶，从而引发淀粉的回凝现象，影响材料的长期稳定性。为了解决这一问题，研究者们开始探索新型增塑剂，如异山梨醇，以提高玉米淀粉基材料的性能和稳定性。

本研究聚焦于一种新型的玉米淀粉基生物复合材料，该材料使用异山梨醇作为增塑剂，替代传统的甘油，并填充两种具有不同氧含量的“绿色”石墨烯（G99 和 G92）。这些石墨烯通过生物基材料的负碳过程制造，具有良好的环境友好性和性能。通过熔融共混技术，研究人员制备了不同比例的复合材料，并对它们的形态、结晶性、热学、光学和动态力学性能进行了系统分析，同时评估了材料的吸水性和土壤埋藏降解能力。研究结果表明，异山梨醇能够有效防止淀粉的回凝现象，提升材料的热稳定性、刚性、玻璃化转变温度、紫外-可见光吸收能力、抗水性以及降解速率。此外，G92（含氧量为8%）由于其较高的氧含量，表现出更强的与淀粉基体的相互作用，从而在复合材料中实现更均匀的分散，显著提升了材料的刚性和玻璃化转变温度。相比之下，G99（含氧量为1%）虽然在一定程度上改善了材料的性能，但其较低的氧含量导致其与淀粉的相互作用较弱，容易形成团聚，影响材料的整体性能。

研究中使用的增塑剂种类对材料的性能有显著影响。异山梨醇由于其较大的分子量和结构中丰富的羟基和醚基，能够与淀粉形成更多的氢键，从而增强材料的稳定性并减少增塑剂的迁移。这一特性使得异山梨醇塑料化的玉米淀粉材料在长期使用中表现出更优异的抗水性和抗回凝能力。相比之下，甘油虽然也具有一定的增塑效果，但其分子量较小，与淀粉之间的相互作用较弱，导致材料在储存过程中更容易发生回凝，从而降低其性能。

石墨烯作为纳米填料被广泛应用于增强聚合物的性能。本研究中，G99 和 G92 两种石墨烯填料的添加显著改善了玉米淀粉基材料的性能。G92 因其较高的氧含量，表现出更强的亲水性，这使得它能够更好地与淀粉分子相互作用，从而在较低的填料含量下（如1%）就显示出更高的结晶度和更好的性能提升。而 G99 因其较低的氧含量和较差的分散性，在填料含量较高时（如3%和5%）容易形成团聚，从而降低材料的性能。通过实验观察和数据分析，研究发现 G92 的添加不仅提高了材料的结晶度，还增强了其热稳定性、抗水性和光学性能，而 G99 则在某些条件下表现出更优的抗水性。

在热稳定性方面，异山梨醇塑料化的玉米淀粉材料表现出优于甘油塑料化的材料。异山梨醇由于其较强的与淀粉的相互作用，能够在更高的温度下保持结构的完整性，从而延缓材料的热降解过程。而甘油塑料化的材料则由于增塑剂的迁移和回凝，表现出较低的热稳定性。此外，石墨烯的加入进一步提升了材料的热稳定性，这可能是由于石墨烯本身具有优异的热性能，以及其在基体中的均匀分散所形成的物理屏障作用。

在光学性能方面，异山梨醇塑料化的玉米淀粉材料表现出更高的紫外-可见光屏蔽能力。与甘油塑料化的材料相比，异山梨醇能够减少材料的透光率，从而有效阻挡紫外线和可见光。石墨烯的加入进一步增强了这一特性，尤其是 G92，其较高的氧含量和更优的分散性使其在紫外-可见光屏蔽方面表现更佳。在高湿度环境下，异山梨醇塑料化的材料展现出更低的吸水率，这与其较强的抗水能力相关。然而，甘油塑料化的材料在高湿度条件下吸水率较高，这与其较低的抗水性以及容易发生回凝现象有关。

在动态力学性能方面，异山梨醇塑料化的玉米淀粉材料表现出更高的刚性，这与其较强的分子间相互作用有关。而甘油塑料化的材料则表现出较低的刚性。石墨烯的加入进一步提升了材料的刚性，但填料含量过高时（如5%）可能会导致材料性能的下降，这与填料的团聚有关。G92 的加入在1%到3%范围内显著提升了材料的刚性，而 G99 的作用则较为有限，仅在1%填料含量时表现出一定的提升效果。

吸水性是玉米淀粉基材料的一大挑战，因为其高亲水性容易导致材料的降解和性能劣化。本研究发现，异山梨醇能够有效降低材料的吸水率，这与其较强的抗水能力有关。而甘油塑料化的材料则表现出较高的吸水性，这与甘油容易迁移并形成团聚有关。石墨烯的加入也对吸水性有改善作用，但其效果依赖于填料的种类和含量。G92 的加入在较低含量下（如1%）能够有效减少吸水性，而在较高含量下（如5%）则可能因团聚而降低效果。相比之下，G99 在低含量下（如1%）表现出更好的抗水性，但随着填料含量的增加，其抗水性逐渐下降。

土壤埋藏降解实验结果显示，玉米淀粉基材料具有良好的生物降解性，能够在较短时间内被土壤中的微生物分解。异山梨醇塑料化的材料表现出更快的降解速率，这可能与其较强的吸水性有关，因为更多的水分子进入材料内部，有助于微生物的侵入和分解。而甘油塑料化的材料由于吸水性较低，其降解速率相对较慢。石墨烯的加入对降解过程也有一定影响，G92 由于其较强的分散性和与淀粉的相互作用，可能在一定程度上延缓降解过程，而 G99 则因较低的分散性和较强的吸水性，可能加速降解。

综上所述，本研究通过使用异山梨醇作为增塑剂，并结合不同氧含量的石墨烯填料，成功开发出一系列具有优良性能的玉米淀粉基生物复合材料。这些材料在热稳定性、刚性、玻璃化转变温度、光学性能、抗水性以及生物降解性等方面均表现出优于传统甘油塑料化的材料。其中，异山梨醇与 G92 的组合在1%到3%的填料含量下表现出最佳的综合性能，展现出在包装、农业等短时应用中的巨大潜力。未来，这些生物复合材料有望成为传统塑料的可持续替代品，为减少环境污染和推动绿色制造提供新的解决方案。