Tinospora Cordifolia茎颗粒作为可持续复合材料功能填料的表征

《Journal of Natural Fibers》：Characterization of Tinospora Cordifolia Stem Particulates as a Functional Filler for Sustainable Composites

　　

由于价格低廉、来源丰富且具有抗菌活性，来自植物废弃物的颗粒状填料正受到越来越多的关注。研究人员将 Tinospora Cordifolia 茎经粉碎后进行球磨处理，制得平均粒径为 21.97 μm 的颗粒。通过傅里叶变换红外光谱 (FTIR)、X 射线衍射 (XRD)、热分析、核磁共振 (NMR)、扫描电子显微镜 (SEM)、原子力显微镜 (AFM)、水接触角 (WCA) 及抗菌测试，对 Tinospora Cordifolia 茎颗粒 (TCSP) 进行了特性分析。化学分析显示，该材料密度较低 (0.8 g/cm³)，纤维素 (45.65%) 与木质素 (17.12%) 含量适中，半纤维素 (3.70%) 及蜡 (0.034%) 含量极低，因而具备轻量、热稳定性及良好的力学性能。FTIR 通过 O–H、C–H、C=C 及 C–O 振动确认了纤维素与木质素的存在，而 XRD 则显示出混合纤维素相 (I、II、IV)，其结晶度指数为 30.59%，晶粒尺寸为 4.61 nm。热重分析 (TGA) 结果显示，其最大分解温度 (T_max) 达 319.87 ^°C，活化能为 64.65 kJ/mol，确保了热稳定性。SEM 与 AFM 分析显示，TCSP 具有粗糙且不规则的纤维状表面，表面粗糙度 Ra 为 41.469 nm，且呈负偏度。水接触角值介于 67.6^° 至 75.4^° 之间，显示出中等程度的亲水性。重要的是，TCSP 展现出强烈的抗菌活性，其抑制圈直径分别为 15.2 mm (大肠杆菌 E. coli) 和 18.4 mm (蜡样芽孢杆菌 B. cereus)，此现象归因于其中的植物化学物质 (phytochemicals)。

**研究背景与问题**
随着可持续发展需求的增长，利用植物废弃物作为聚合物复合材料的填料成为研究热点。天然填料具有低成本、可降解性及增强复合材料性能的优势，但需要充分表征其理化特性以评估应用潜力。Tinospora Cordifolia（心叶青牛胆）是一种广泛分布于南亚和东南亚的药用植物，其茎部含有中等含量的纤维素（45.65%）和木质素（17.12%），但作为颗粒填料的系统研究仍有限。现有研究多集中于其他植物源填料，如芝麻壳、木槿皮等，而Tinospora Cordifolia茎颗粒的物理化学、热稳定性、表面特性及抗菌活性尚未被系统评估。因此，研究人员开展此项研究，旨在全面表征Tinospora Cordifolia茎颗粒（TCSP）的性能，为开发轻质、高强度、环保的聚合物复合材料提供依据。该研究发表于《Journal of Natural Fibers》。

**研究方法**
研究人员从印度泰米尔纳德邦马杜赖区K.Vellakulam村采集Tinospora Cordifolia茎，经清洗、干燥、粉碎后，采用球磨法（转速300 rpm，时间6小时，球料比10:1）制备颗粒，并通过75 μm标准筛获得TCSP。关键技术包括：动态光散射（DLS）粒径分析、比重瓶法密度测定、Kurshner-Hoffer法化学分析（纤维素、半纤维素、木质素、蜡等含量）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）官能团鉴定、X射线衍射（XRD）结晶度分析、热重分析（TGA）热稳定性评估、核磁共振（NMR）分子结构解析、扫描电子显微镜（SEM）形貌观察、原子力显微镜（AFM）表面粗糙度测量、水接触角（WCA）润湿性测试，以及琼脂扩散法抗菌活性检测（针对大肠杆菌E. coli和蜡样芽孢杆菌B. cereus）。

**研究结果**
- **粒径分析**：通过DLS测得TCSP的平均粒径为21.97 μm，粒径分布呈双峰，主要峰值位于0.71 μm（31.08%）和9.30 μm（68.92%），多分散指数为39.7%，表明存在亚微米级颗粒。
- **密度**：比重瓶法测得密度为0.8 g/cm³，低于多数天然填料，有利于制备轻质复合材料。
- **化学分析**：纤维素含量45.65%，木质素17.12%，半纤维素3.70%，蜡含量仅0.034%，灰分7.96%，水分23.34%。低蜡含量和适度木质素有助于增强聚合物界面结合及热稳定性。
- **FTIR分析**：光谱显示3295 cm^-1（O-H伸缩）、2917 cm^-1（C-H伸缩）、1616 cm^-1（C=C芳香环）、1036 cm^-1（C-O-C糖苷键）等特征峰，证实纤维素和木质素的存在。
- **XRD分析**：衍射峰位于2θ≈15.48°和21.26°，对应纤维素I的(1?10)/(110)和(002)晶面，结晶度指数30.59%，晶粒尺寸4.61 nm，反映出中等结晶度。
- **TGA/DTG分析**：热降解分三阶段，初始失重（室温至209.87°C）为水分损失（11.53%）；第二阶段（210-360°C）失重58.34%，主要归因于半纤维素和纤维素分解；第三阶段（360-470°C）失重17.41%，对应木质素和蜡分解。最大分解温度T_max为319.87°C，活化能64.65 kJ/mol，热稳定性优于多数天然填料（如牙买加樱桃籽316.5°C、木棉壳306°C）。
- **NMR分析**：¹³C NMR谱显示31.32 ppm（乙酰甲基碳，半纤维素）、66.6 ppm（C6，纤维素无定形区）、72.98 ppm（C2/C3/C5）、81.86 ppm（C4，无定形纤维素）、103.93 ppm（C1，糖苷键）、113.74-156.36 ppm（芳香碳，木质素）及173.39 ppm（羰基），证实纤维素、半纤维素和木质素共存。
- **SEM形貌**：TCSP呈不规则纤维状，表面粗糙多孔，无均质结构，有利于与聚合物基体机械互锁。
- **AFM表面粗糙度**：平均粗糙度Ra为41.469 nm，偏度Rsk为-0.89（负值表明深谷多于尖峰），峰谷高度Rz为189.134 nm，均方根粗糙度Rq为51.182 nm，粗糙度参数与天然填料（如麻风树叶40.386 nm）相似，增强界面粘附潜力。
- **水接触角（WCA）**：平均接触角71.5°（左67.6°，右75.4°），小于90°，显示中等亲水性，有助于与亲水性聚合物（如PLA、淀粉）相容。
- **抗菌性能**：对大肠杆菌和蜡样芽孢杆菌的抑制圈直径分别为15.2 mm和18.4 mm，后者甚至超过阳性对照阿米卡星（17.0 mm），归因于生物碱、二萜内酯、酚类等植物化学物质对细胞壁和蛋白质合成的破坏作用。

**讨论与结论**
TCSP的综合性能表明其作为可持续聚合物复合材料的理想填料：低密度、中等结晶度、高热稳定性（T_max 319.87°C）、粗糙表面（Ra 41.469 nm）、亲水性（WCA 71.5°）及内在抗菌活性。这些特性使其适用于轻质包装、汽车内饰、建筑材料及活性食品包装等领域。与现有天然填料（如西沙麻树皮、木菠萝籽粉）相比，TCSP在热稳定性和抗菌性方面表现更优。研究结论指出，TCSP兼具低密度、中等结晶度、良好热稳定性、表面粗糙度、亲水性和抗菌活性，是兼具轻质增强和生物功能性的环保聚合物复合材料的优秀候选者。