竹炭负载量对BC/PLA复合材料性能的影响及增强-团聚竞争机制研究

《Results in Engineering》：Effects of Bamboo Charcoal (BC) Loading on the Properties of BC/PLA Composites

　　

研究人员通过熔融共混制备了竹炭（BC）含量高达50 wt%的BC/聚乳酸（PLA）复合材料。与纯PLA相比，含10 wt% BC的复合材料拉伸强度提高了21.55%；50 wt% BC使PLA相的结晶度从6.20%增至56.97%。当BC含量达到40–50 wt%时，颗粒发生团聚并产生界面缺陷。整体结果表明，随着BC负载量的增加，复合材料的行为由低负载下的增强主导转变为高负载下的团聚主导。

# 论文解读：竹炭负载量对BC/PLA复合材料性能的影响及机制

## 一、研究背景与目的

聚乳酸（PLA）是一种具有优良生物相容性和可堆肥性的可生物降解聚合物，在包装、生物医学材料和一次性制品中应用广泛。然而，其固有脆性（断裂伸长率低、抗冲击性差）和热稳定性不足，以及常规加工条件下结晶动力学缓慢导致产物多为无定形、耐热性差，严重限制了其在工程部件中的应用。因此，同时加快结晶动力学、提高力学和热性能并降低材料成本，是开发可持续生物复合材料的关键挑战。

将生物质来源的填料加入PLA被认为是有效且生态可行的策略。竹炭（BC）由快速生长的竹材在限氧条件下高温热解制得，具有富碳结构、高热稳定性、多级孔结构和较大比表面积。已有研究对BC/PLA复合材料的负载量效应存在不同报道，例如中等负载可提高强度，但过量负载导致聚集和性能下降；也有研究在高达40 wt%负载时仍保持良好性能。然而，对于未改性竹炭在0–50 wt%宽负载范围内的二元PLA复合材料系统评价仍有限，负载阈值从增强转为劣化的机制尚不清楚。为此，研究人员采用熔融共混制备不同BC负载量（0–50 wt%）的BC/PLA复合材料，系统评估BC负载量对力学、热学、结晶、形貌和表面性能的影响，并阐明填料分散、界面特性与宏观性能之间的关系，特别关注高负载下的性能演变机制。

## 二、主要研究方法

研究人员使用双螺杆挤出机进行熔融共混制备复合材料。PLA（牌号FY601，密度1.24 g/cm3，玻璃化转变温度约60°C）来自安徽丰原生物技术有限公司；2000目BC粉末（碳化温度约800°C）购自上海海诺炭业有限公司。样品命名为PBC-0至PBC-50，对应BC含量0–50 wt%。拉伸性能按GB/T 1040.1-2018标准测试，采用万能试验机（UTM2203），拉伸速度1 mm/min，并用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey HSD事后检验进行统计比较。采用差示扫描量热法（DSC）测定热转变和结晶度，傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析化学结构，热重分析（TGA）表征热降解行为，扫描电子显微镜（SEM）观察拉伸断口形貌，水接触角仪测试表面润湿性，偏光显微镜（POM）观察等温结晶后的球晶形态。

## 三、研究结果

### 1. 力学性能

拉伸强度随BC负载量增加先升后降。PBC-10达到最大值45.4 MPa，较纯PLA（37.35 MPa）提高21.55%。从PBC-20至PBC-50，拉伸强度逐渐下降，PBC-50降至最低。断裂伸长率从PBC-0的10.63%单调降至PBC-50的3.9%，表明复合材料的可变形性随BC负载增加而降低。ANOVA结果表明BC负载对拉伸强度和断裂伸长率均有显著影响（p < 0.0001）。

### 2. 断裂形貌与表面润湿性

SEM观察显示，PBC-10和PBC-20中BC颗粒均匀嵌入PLA基体，界面间隙和拔出孔隙较少；PBC-30开始出现拔出空隙；PBC-40和PBC-50中形成明显的BC团聚体，伴随界面脱粘和松散界面。水接触角从PBC-0的47°升至PBC-50的65°，表明BC的加入降低了表面润湿性，但所有样品仍处于亲水范围。

### 3. 化学结构与官能团

FTIR光谱显示所有BC/PLA复合材料的特征吸收带与纯PLA一致，包括3000–2800 cm^-1的C-H伸缩振动、约1750 cm^-1的羰基（C=O）伸缩峰以及1200–1000 cm^-1的C-O-C和C-O伸缩振动。在整个负载范围内未出现新吸收峰，也未发生明显峰位移动，说明BC与PLA之间主要为非共价界面相互作用，PLA的化学结构基本保持不变。

### 4. 结晶行为与热转变

DSC数据显示，玻璃化转变温度（T_g）和熔融温度（T_m）变化较小，分别保持在60–63°C和173–176°C。冷结晶温度（T_cc）从PBC-10的106.01°C降至PBC-50的99.51°C。按PLA质量分数归一化的结晶度（X_c）从PBC-0的6.20%增至PBC-50的56.97%。冷却结晶峰温度（T_c,p）总体从95.50°C升至98.72°C（PBC-40），PBC-50略降为98.19°C；冷却结晶焓（ΔH_c）从1.39 J/g增至8.42 J/g。但PBC-50每克复合物的熔融焓与冷结晶焓之差（ΔH_m?ΔH_cc）较PBC-40略降（27.73→26.66 J/g），提示高负载下结晶度增加未必转化为力学性能改善。

### 5. 热稳定性与降解行为

TGA曲线显示所有样品均为单阶段失重。加入BC后，5%失重温度（T_-5%）从359.31°C降至约300°C，最大降解温度（T_max）从389.09°C降至325.63°C（PBC-40）。所有BC/PLA复合材料的最大质量损失速率（R_peak）均显著低于纯PLA（31.11 %/min），且500°C残炭量随BC负载增加，PBC-50达到44.55%，表明BC有效抑制了主分解阶段的质量损失速率，并增强了成炭倾向。

### 6. 球晶形态与晶体生长

POM观察显示，PBC-0呈现大而清晰的球晶；PBC-10至PBC-40的双折射特征发生定性变化；PBC-50中大部分球晶形态被BC富集区遮挡，难以辨别单个球晶。由于BC富集区遮蔽和球晶边界模糊，研究人员未对球晶尺寸和成核密度进行定量分析，DSC数据提供的主要实验证据支持BC辅助结晶的作用。

## 四、讨论总结

在讨论部分，研究人员分析了界面互锁与应力传递机制。在低负载（10 wt%）下，BC颗粒均匀分散、界面接触良好，BC的多孔结构可能提供物理锚固位点，从而改善应力传递，这与拉伸强度提高一致。高负载下，颗粒团聚、拔出孔隙和界面脱粘作为结构不连续点，导致局部应力集中和裂纹萌生。

关于异相成核，BC颗粒提供大量成核位点，降低PLA结晶能垒，促进结晶，表现为T_cc降低、冷却结晶焓增加。但高负载下颗粒拥挤和聚集可能限制PLA链的长程重排，阻碍连续晶体微结构发展。尽管X_c在高负载下仍增加，但每克复合物净熔融焓并未继续增加，说明结晶相的连续性和承载效率未成比例提升。

整体性能演变由增强效应与团聚劣化效应的竞争决定。低负载时增强机制占主导，高负载时团聚劣化占主导，中间为竞争区。水接触角增加可用Cassie–Baxter模型解释，即表面粗糙结构截留空气降低了固液接触面积。

与常规木质纤维填料相比，BC无需化学接枝即可在10 wt%负载下使拉伸强度提高21.55%。高负载配方（如PBC-40）拉伸强度与纯PLA统计相当，同时PLA用量降至60%，因此可考虑用于非承重应用，并可能降低原材料成本。但高负载（>30 wt%）可能增加熔融加工阻力，限制制品几何复杂度，未来需结合更高分辨率界面表征、流变分析和GPC/SEC测定进行定量评估。

## 五、研究结论翻译

本研究通过熔融共混制备了含0–50 wt% BC的BC/PLA复合材料。负载依赖的拉伸结果表明，在本研究条件下，BC负载量约10 wt%时存在明显增强阈值，PBC-10的平均拉伸强度最高（45.40 MPa）。该负载下较均匀的颗粒分散和紧密界面接触与改善的应力传递一致。T_cc降低和按PLA含量归一化的结晶度增至56.97%与BC辅助结晶作用一致；POM图像显示双折射形态发生定性变化。冷却结晶焓的增加进一步支持BC在冷却过程中的结晶促进作用，尽管高BC含量下结晶峰温度变化很小。热重分析揭示双重响应：加入BC后初始降解温度降低，但最大质量损失速率受到抑制，且PBC-50在500°C时残炭量增至44.55%。BC的加入还改变了表面润湿性。总之，这些结果确定了从低BC负载下的增强主导行为向高负载下的团聚主导行为的转变，并为设计高填充生物质碳/PLA复合材料提供了指导。