木薯淀粉基可降解聚合物复合材料的开发及其在非承重应用中的多功能特性研究

这篇综述创新性地开发了一种基于木薯淀粉和天然黄麻纤维增强的全生物降解复合材料。研究通过热重分析（TGA）证实材料在300°C以上仍保持单步分解的优异热稳定性，差示扫描量热法（DSC）显示其玻璃化转变温度（Tg）达69.55°C。力学测试表明该复合材料具有9 MPa的拉伸强度和3.62×10?7 S/m的微弱导电性，傅里叶变换红外光谱（FTIR）和密度泛函理论（DFT）模拟揭示了N-H键的存在，为可持续包装和柔性电子材料开发提供了新思路。

　　

背景与意义

全球变暖背景下，开发兼具功能性和可持续性的生态材料成为研究热点。木薯淀粉作为天然多糖，其直链淀粉（amylose）和支链淀粉（amylopectin）的双相结构赋予材料可调控的结晶特性。研究通过低技术门槛的加工方法，将淀粉与废弃食用油、黄麻纤维复合，创造出力学性能与合成塑料相当的环保材料。

材料制备与表征

采用20:18:1（淀粉:水:油）的重量比混合原料，140°C加热30分钟引发淀粉聚合。扫描电镜（SEM）显示未完全融合的颗粒形成8.95%孔隙率，X射线衍射（XRD）证实材料同时存在结晶区和无定形区。热分析显示固化样品在293°C开始分解，DTG曲线呈现宽峰，表明交联结构延缓了热降解速率。

功能特性突破

材料展现三大创新特性：

1. 1.

   热性能：DSC测得69.55°C的Tg，比热容随温度升高呈线性增长，适合高温隔热应用；

2. 2.

   力学性能：三点弯曲测试显示10.85 MPa的弯曲强度，黄麻纤维有效提升基体韧性；

3. 3.

   电学特性：双探针法测得3.62×10^?7 S/m电导率，FTIR检测到3500 cm^?1处N-H键振动峰，DFT模拟证实分子偶极矩形成导电通路。

分子机制解析

通过密度泛函理论（DFT）B3LYP-D4/def2-TZVP计算，揭示淀粉与油脂的缩合反应机制：

• •

  脂肪酸水解产生的-COOH与淀粉中胺基反应形成酰胺键

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  反应释放水分子，总吉布斯自由能（G）达-1805.398 Eh

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  分子偶极矩（图11绿色箭头）解释电荷传输现象

应用前景与局限

该材料在食品包装、电子器件基底等领域潜力显著，但存在孔隙缺陷导致的力学不均一性。未来可通过酯化改性增强界面结合，或掺杂碳纳米管提升电导率。研究为发展中国家开发生物基材料提供了可复制的技术范式。