来自Bassia scoparia的生物衍生硬碳作为氯化聚丙烯的多功能增强剂：结构、热学和生物活性性能

《ChemistryOpen》：Bio-Derived Hard Carbon from Bassia scoparia as a Multifunctional Reinforcement for Chlorinated Polypropylene: Structural, Thermal, and Bioactive Performance

　　

开发具有增强热学、力学、表面和生物活性性能的可持续多功能聚合物复合材料对于先进涂层和包装应用至关重要，因为传统的聚丙烯（PP）基材料通常缺乏固有的抗氧化和抗菌功能。在本研究中，研究人员利用源自地肤（Bassia scoparia）生物质的硝酸处理硬碳（N-BSHC）作为氯化聚丙烯（PP-Cl）复合薄膜的可持续多功能增强剂。通过溶液浇铸法制备了含有1.0、1.5和2.5 wt% N-BSHC的复合薄膜，并采用傅里叶变换红外光谱、扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDX）、水接触角（WCA）、热重分析（TGA）、差示扫描量热法（DSC）、力学测试以及抗氧化和抗菌试验对其进行表征。SEM-EDX分析证实了均匀的填料分布以及含氧和含氮表面官能团的存在，这改善了基质相容性和表面润湿性。WCA从纯PP-Cl的105°降低到含2.5 wt%填料的复合材料的94°。热降解温度从338°C/421°C提高到346°C/428°C，而弹性模量在1.5 wt%填料含量下从48.56 MPa增加到73.61 MPa。此外，复合材料表现出抗氧化活性和对金黄色葡萄球（Staphylococcus aureus）和大肠埃希菌（Escherichia coli）的强抗菌性能。这些发现表明，生物质衍生的N-BSHC是先进PP-Cl复合材料的有效可持续填料。

**论文解读文章**

**研究背景**：
传统的聚丙烯（PP）基材料在先进涂层和包装应用中面临性能瓶颈，因其非极性结构导致表面活性低、界面相容性差，且缺乏固有的抗氧化和抗菌功能。氯化聚丙烯（PP-Cl）通过引入极性C-Cl键改善了表面能，但其本身仍不具备生物活性。生物质衍生硬碳（HC）具有高热稳定性、可调表面化学和可再生性，成为多功能填料的理想选择。然而，如何有效利用丰富且快速生长的植物资源（如地肤，Bassia scoparia）通过表面改性实现PP-Cl复合材料的多功能增强，仍是研究空白。本研究旨在通过硝酸处理地肤衍生的硬碳（N-BSHC），并将其作为多功能增强填料，系统评价其对PP-Cl复合薄膜结构、热学、力学、抗氧化及抗菌性能的影响，以开发可持续、无金属的多功能复合材料。

**主要结论与意义**：
研究人员成功制备了不同N-BSHC含量的PP-Cl复合薄膜，并证实了N-BSHC作为可持续填料能同步提升材料的热稳定性、表面润湿性、弹性模量、抗氧化活性及广谱抗菌性能。该工作为生物质资源的高值化利用提供了新策略，所开发的复合薄膜在多功能保护涂层和活性包装领域具有应用潜力，同时避免了传统金属基抗菌剂的环境风险。论文发表在《ChemistryOpen》。

**关键技术与方法**（不超过250字）：
1. **生物质碳化**：将地肤（Bassia scoparia）生物质（采集自土耳其Lüleburgaz, K?rklareli）在800°C、氮气氛下碳化2小时，得到原始硬碳（BSHC）。
2. **硝酸氧化改性**：将BSHC在硝酸/水混合液（3:4，v/v）中于90°C处理3.5小时，引入含氧/含氮官能团，获得N-BSHC。
3. **复合薄膜制备**：采用溶液浇铸法，将PP-Cl与N-BSHC（0–2.5 wt%）在四氢呋喃（THF）中溶解分散，加入表面活性剂Tween 80，浇铸成膜。
4. **性能表征**：利用FT-IR（化学结构）、SEM-EDX（形貌与元素）、WCA（表面润湿性）、TGA（热稳定性）、DSC（玻璃化转变温度）、万能试验机（力学性能）、DPPH和ABTS法（抗氧化活性）、微量肉汤稀释法和ISO 22196接触法（抗菌活性）。

**研究结果**：
- **FT-IR分析**：BSHC碳化后呈现特征性平坦基线，表明形成了高度缩合的碳骨架；硝酸处理未引起明显新吸收峰，氧化局限于表面位点；PP-Cl/N-BSHC复合膜保留PP-Cl特征峰，证实物理界面相容性。
- **SEM-EDX分析**：SEM图像显示N-BSHC在PP-Cl基体中均匀分散，无大团聚体；随填料含量增加，表面粗糙度逐步提高。EDX图谱检测到C、Cl、O、N元素，O和N来自硝酸处理，其原子百分比随填料含量增加而升高，证实表面官能团引入。
- **表面润湿性（WCA）**：纯PP-Cl的WCA为105°（疏水），添加2.5 wt% N-BSHC后降至94°，表明表面极性增强和粗糙度增加改善了亲水性。
- **热稳定性（TGA）**：N-BSHC本身在800°C残留51.26%质量，热稳定性高。复合膜的热降解温度（T_max）从纯PP-Cl的338°C/421°C分别升至340°C/423°C、343°C/425°C和346°C/428°C，残碳量从2.54%增至21.97%，说明HC形成了热屏障。
- **玻璃化转变行为（DSC）**：纯PP-Cl的T_g=40.1°C，随N-BSHC含量增加逐步升至42.5°C、44.1°C和45.3°C，表明聚合物链段运动受到限制。
- **力学性能**：弹性模量（ε_t）从纯PP-Cl的48.56 MPa增至1.5 wt%时的73.61 MPa，而断裂伸长率从760.74%降至484.04%，表明刚性填料增强但牺牲部分韧性；1.5 wt%样品在刚性和强度之间达到最佳平衡。
- **抗氧化活性**：纯PP-Cl几乎无活性（DPPH清除率<3%），N-BSHC在30–60分钟内清除率达39.68%–44.77%；复合膜的清除率随填料含量升高而显著增加，1.5 wt%样品的ABTS清除率可达20.89%。
- **抗菌性能**：N-BSHC对金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌的MIC均为128 μg/mL；基于ISO 22196的接触试验显示，2.5 wt%复合膜对两种细菌的抑制率分别达96%和97%，远高于纯PP-Cl（约19%），体现了填料含量依赖的抗菌活性。

**讨论总结**：
研究人员在讨论部分指出，硝酸处理硬碳（N-BSHC）通过表面含氧/含氮官能团改善了与PP-Cl基体的界面相容性，促进了填料均匀分散并增强了界面应力传递，进而提升热稳定性、提升T_g、降低WCA及提高弹性模量。N-BSHC的抗氧化活性归因于表面活性位点与自由基的相互作用，而抗菌性能则源于碳材料表面的粗糙度、极性官能团和直接接触引起的细胞膜损伤。与未处理的BSHC相比，硝酸处理显著增强了填料与基质的协同效应。未来需通过生命周期评估（LCA）量化该体系的环境足迹，以评估其可持续性优势。

**研究结论翻译**：
在本研究中，研究人员成功地将来自地肤（Bassia scoparia）并经硝酸处理的生物衍生硬碳（N-BSHC）掺入氯化聚丙烯（PP-Cl）中，制备了多功能复合薄膜。结果表明，N-BSHC作为一种有效的增强剂和功能添加剂，同时改善了PP-Cl基体的表面、热学、力学、抗氧化和抗菌性能。SEM-EDX分析证实N-BSHC在PP-Cl基体中均匀分散，并揭示了含氧和含氮表面官能团的存在，这有助于界面相容性的提高。表面润湿性测量显示，水接触角从纯PP-Cl的105°降至含2.5 wt% N-BSHC复合材料的94°，表明可调的表面亲水性。热分析揭示复合膜的热稳定性提高和聚合物链段运动受限，表现为降解阻力的增加和玻璃化转变温度的逐步升高。力学测试表明，随N-BSHC含量的增加，弹性模量显著提高，而延展性适度降低，证实了刚性碳质填料的增强作用。值得注意的是，含1.5 wt% N-BSHC的复合材料在刚度、强度和伸长率方面表现出均衡的组合。此外，抗氧化试验证实N-BSHC的掺入为原本惰性的PP-Cl基体赋予了自由基清除活性，而抗菌评估则显示出对金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌的填料含量依赖的抗菌性能，最高达到96%–97%的细菌减少率。总之，本研究表明，来自地肤的硝酸处理硬碳是一种可持续、无金属的多功能填料，能够显著增强PP-Cl基复合材料的性能。所开发的复合薄膜在需要改善热稳定性、表面功能和生物活性的先进涂层和包装应用中（如多功能保护膜和活性包装）具有巨大潜力。使用生物质衍生前驱体、低填料含量和相对简单的加工方法表明该复合体系具有规模化潜力和工业适用性。然而，详细的技术经济分析和大规模生产评估超出了本研究的范围，应在未来工作中进行研究。尽管使用生物质衍生HC具有可持续性优势，但对该复合体系的全面环境评价仍需详细的LCA，特别是碳化过程的能耗、硝酸氧化过程中的化学品消耗、溶剂使用以及大规模生产相关的潜在排放应进行定量评估，以确定材料的总体环境足迹。因此，未来研究应包含从摇篮到坟墓或从摇篮到门LCA分析，以评估所提出的生物质衍生多功能复合体系相对于传统石油基或矿物填充聚合物复合材料的环保效益和潜在权衡。