木质素与生物炭协同增强聚合物生物复合材料的阻燃性能及碳足迹减排研究

本研究针对生物基填料在聚合物基体中含量增加导致的性能下降问题，创新性地将木质素(lignin)与生物炭(biochar)共混于ABS树脂，开发出生物基含量达44 wt%的复合材料。通过真空成型和挤出工艺验证了材料良好的加工性能，并发现两者协同作用使热释放速率峰值(pHRR)降低49%，温室气体排放减少40%。该成果为汽车等领域提供了兼具高可持续性和优异阻燃特性的新型生物复合材料解决方案。

　　

随着全球碳中和目标的推进，生物基材料在塑料工业中的应用成为研究热点。传统石油基聚合物如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)面临碳足迹高、不可再生的困境，而单纯增加生物填料含量往往导致力学性能和加工性能下降。这一矛盾在汽车等对材料性能要求严格的领域尤为突出。

针对这一挑战，瑞典Senoplast Nordic AB等机构的研究团队创新性地提出将两种生物基填料——木质素(lignin)与生物炭(biochar)协同使用。木质素作为造纸工业副产品具有芳香环结构，而生物炭通过生物质热解获得多孔碳结构，两者均能提升阻燃性但作用机制不同。研究人员通过系统调控填料比例，成功制备出生物基含量高达44 wt%的ABS复合材料，相关成果发表在《Industrial Crops and Products》。

研究采用双螺杆挤出共混、真空成型等加工技术，结合热重分析(TGA)、锥形量热(cone calorimetry)和UL94垂直燃烧测试等表征手段。通过扫描电镜(SEM)观察发现生物炭颗粒(平均尺寸31.4 μm)能有效填充木质素形成的"海岛结构"间隙。

【3.2. Processability and scalability of the biocomposites】
材料展现出优异的加工性能，熔体流动指数(MFI)因生物炭石墨结构的润滑作用提升30%。工业级双螺杆挤出试验证实，含10 wt%生物炭的AL10样品可稳定生产1 mm厚板材，真空成型成功制备车顶箱原型件。

【3.4. Thermal properties】
差示扫描量热(DSC)显示木质素的增塑作用使ABS玻璃化转变温度(T_g)从106°C降至95°C。热重分析表明，30 wt%木质素使5%失重温度降低50°C至340°C，但残炭率从1.2%提升至12.5%，为阻燃性能奠定基础。

【3.5. Fire performance of the biocomposites】
锥形量热测试显示协同效应显著：AL20样品的热释放速率峰值(pHRR)降至674 kW/m²，较纯ABS降低49%，远超两者单独使用时的效果总和(14%+26%)。UL94测试中，15 wt%以上生物炭可完全抑制熔滴现象，残炭高度达100%。

【3.7. Mechanical properties】
力学性能呈现典型权衡效应：杨氏模量提升33%(1654 MPa)，但断裂伸长率降至3%以下。这种"高刚度-低韧性"特征提示材料更适合结构支撑件等非承力部件应用。

【3.8. Carbon footprint】
生命周期评估显示，AL20样品在全生命周期可实现40%温室气体(GHG)减排，其中生产过程贡献54-58%的减排量。生物炭(365 g CO₂e/kg)和木质素(870 g CO₂e/kg)的碳足迹显著低于ABS(4540 g CO₂e/kg)。

该研究通过巧妙的材料设计，突破了生物填料高含量与高性能难以兼得的瓶颈。提出的"生物炭-木质素协同屏障"机制为开发新型阻燃材料提供了新思路，其工业级加工验证更彰显实用价值。虽然材料在韧性和UL94评级方面仍需改进，但已为汽车内饰件等特定场景提供了绿色解决方案，对实现塑料工业的可持续发展目标具有重要示范意义。