菜籽粕增强PBS/PBAT生物复合材料的性能表征：填料含量与粒径对材料改性的协同调控机制

为解决传统塑料污染及生物基材料机械性能不足的问题，研究人员系统探究了菜籽压榨粕(RPC)作为蛋白-纤维复合填料对聚丁二酸丁二醇酯(PBS)和聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯(PBAT)热力学性能的影响。研究发现RPC可使PBS弹性模量提升至1111 MPa，但导致断裂伸长率降至<10%，同时粒径50-250 μm的RPC-S组分通过增大比表面积(189.1 mm-1)显著提升材料亲水性。该研究为农业副产物高值化利用提供了新思路。

　　

全球塑料年产量已突破4亿吨，传统石油基材料带来的白色污染和碳排放问题日益严峻。尽管聚丁二酸丁二醇酯(PBS)和聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯(PBAT)等生物可降解聚酯展现出环保优势，但其机械性能与成本控制仍是产业化瓶颈。与此同时，油菜籽榨油后产生的菜籽压榨粕(RPC)作为富含蛋白质(27-35 wt%)和纤维(30 wt%)的农业副产物，年产量达8000万吨却未被充分利用。这种富含极性基团的生物质能否与疏水性生物聚酯产生协同效应？来自瑞士的研究团队在《Materials Today Communications》发表的研究给出了答案。

研究采用双螺杆挤出熔融共混法制备RPC含量30-70 wt%的复合材料，通过动态图像分析(Camsizer X2)将填料分为50-250 μm(RPC-S)和>250 μm(RPC-L)两组。利用热重分析(TGA)评估热稳定性，差示扫描量热法(DSC)测定结晶行为，万能试验机(Zwick Roell)进行拉伸/弯曲测试，并采用接触角测量仪(OCA15pro)分析表面润湿性。

热性能研究显示，RPC使PBS起始降解温度从364°C降至223°C，但基体主降解峰(~410°C)保持稳定。DSC检测到PBS玻璃化转变温度(T_g)从-29.6°C升至-24.3°C，冷结晶焓(ΔH_cc)降低表明填料阻碍分子链运动。值得注意的是，50 wt% RPC使PBS结晶度(X_c)提升至31.8%，计算公式X_c=(ΔH_m-ΔH_cc)/(f·ΔH⁰_m)中采用200 J/g作为完全结晶PBS的熔融焓参考值。

力学性能呈现显著矩阵依赖性：PBS体系弹性模量从675 MPa增至1111 MPa，但断裂伸长率从183%骤降至<10%；PBAT体系模量增幅更显著(51→138 MPa)，且保留46%的延展性。粒径效应在PBS中尤为突出，RPC-S因更高比表面积(189.1 vs 103.3 mm^-1)使水接触角降低至56.3°，而RPC-L在PBAT中展现更优增强效果。

界面特性分析揭示RPC的蛋白质酰胺键(1640 cm^-1 FTIR特征峰)与多糖羟基(3279 cm^-1)是影响相容性的关键。水吸收实验显示60 wt%填料使PBAT吸水率达10.8%，质量损失0.382 mg，表明可溶性组分浸出问题需后续处理。

该研究创新性地证实RPC可作为低成本生物增强剂，其30-50 wt%添加量能在保持加工性能的前提下显著提升材料刚性。特别值得注意的是，粒径调控对PBS结晶行为的特异性影响为材料性能定制提供了新维度。未来通过表面改性改善界面粘结，或将实现强度-韧性协同提升，推动农业废弃物在食品包装、农用地膜等领域的商业化应用。