碱木质素增强天然橡胶复合材料的性能表征与功能评估：一种可持续生物基填料的创新应用

本研究针对传统天然橡胶(NR)填料的环境问题，创新性地采用甘蔗叶(SCL)碱木质素和商业碱木质素作为功能填料。通过系统表征发现，KOH提取的SCL木质素复合材料展现出最优机械性能(交联密度126 mol/m3)、老化系数80.08%和热稳定性(T50 394°C)，而商业木质素复合材料则表现出56.25%的金黄色葡萄球菌抑制率。该研究为开发环保型橡胶材料提供了新思路。

　　

随着全球对可持续材料需求的日益增长，天然橡胶(NR)作为重要的生物基高分子材料面临严峻挑战。传统NR填料如炭黑、碳纳米管等虽能改善材料性能，但存在不可降解、依赖化石资源等问题，其碳足迹高达3.75-480 kg-CO₂ eq/kg。更棘手的是，NR本身存在交联密度低、耐候性差等缺陷，严重制约其在高端领域的应用。与此同时，全球每年产生大量农业废弃物，如泰国每年产生2550万吨甘蔗叶(SCL)，传统焚烧处理方式造成严重的环境污染。

针对这一系列问题，泰国那空是贪玛叻府Na Bon Farmer Co-operative Co., Ltd.的研究团队在《Resources Chemicals and Materials》发表重要研究。他们创新性地将SCL衍生的碱木质素作为NR的功能填料，通过系统的性能表征和功能评估，开发出兼具优异机械性能、热稳定性和环境友好特性的新型复合材料。

研究人员主要采用碱提取法制备SCL木质素，通过转矩流变仪、万能拉力机、热重分析仪等技术手段，系统评估了不同填料的NR复合材料的性能。其中，KOH提取的SCL木质素采用140°C碱处理工艺获得，所得复合材料通过ISO标准方法测试老化性能，并采用改良JIS Z 2801:2000方法评估抗菌活性。

在机械特性方面，研究得出重要发现：含KOH提取SCL木质素的NR复合材料展现出最高的交联密度(126 mol/m³)，其100%模量(0.61±0.22 MPa)显著优于石墨烯填充材料。通过温度扫描应力松弛(TSSR)分析显示，该材料在125°C仍保持结构完整性，初始松弛模量曲线最高，证实其优异的网络稳定性。

热性能研究结果更为亮眼：KOH-SCL木质素复合材料的T₅₀达394°C，比商业木质素样品高1°C，老化系数达80.08%，远超碳点填充材料(40%)。动态机械分析(DMA)显示其玻璃化转变温度(T_g)为-49.37°C，表明木质素的增塑作用改善了材料低温性能。

通过FTIR和SEM分析揭示了性能增强的机理：SCL木质素富含的酚羟基和甲氧基(3420 cm^-1特征峰)与NR分子形成氢键，SEM显示其49 μm的粒径分布带来更好的界面结合。值得注意的是，虽然商业木质素表现出56.25%的抗菌率，但KOH-SCL木质素仅37.78%，说明其优势主要体现在机械增强而非抗菌功能。

这项研究的重要意义在于：首次证实SCL碱木质素作为NR填料的可行性，其性能指标超越传统填料如石墨烯和碳纳米管。从环保角度看，木质素的碳足迹(0.6 kg-CO₂ eq/kg)仅为炭黑的16%，为橡胶工业的可持续发展提供了创新解决方案。研究不仅实现了农业废弃物的高值化利用，更开辟了生物基材料在弹性体领域应用的新途径。未来通过优化木质素改性工艺，有望进一步提升复合材料的综合性能，推动绿色橡胶制品产业化进程。