甜叶菊副产品作为生物质衍生造孔添加剂用于多孔韩纸复合材料：微观结构与性能关系

《Materials Today Communications》：Stevia byproducts as biomass-derived pore-forming additives for porous Hanji composites: Microstructure and property relationships

　　

本研究探讨了含有甜叶菊副产品的多孔传统韩国纸（Hanji）复合片材的结构、力学、透气性和热性能。研究人员将甜叶菊副产品作为生物质衍生添加剂掺入Hanji纤维网络，并评估了其对厚度、松厚度、拉伸性能、葛利透气阻力（Gurley air resistance）、形态、元素组成和热降解行为的影响。增加甜叶菊含量提高了片材厚度和松厚度，表明形成了更多孔的纤维网络。甜叶菊的掺入降低了葛利透气阻力，表明透气性增强。然而，干态和湿态拉伸强度下降，原因是甜叶菊颗粒减少了纤维素网络内的纤维-纤维结合。扫描电子显微镜（SEM）观察显示，纤维素纤维网络得以保持，而甜叶菊衍生的颗粒区域分布在纤维之间。能量色散X射线光谱（EDS）分析证实，碳和氧是所有样品中的主要元素。热重分析（TGA）和微分热重分析（DTG）显示典型的纤维素基热降解行为，而含甜叶菊的片材在分解后残余质量略有增加。这些结果表明，甜叶菊副产品在Hanji复合材料中充当造孔和结构改性生物质添加剂，提高了透气性同时降低了力学强度。研究结果突出了控制多孔纤维素基复合片材的结构-性能权衡关系。

该论文以甜叶菊副产品为生物质衍生造孔添加剂，系统研究了其对多孔传统韩国纸（Hanji）复合片材微观结构与性能关系的影响，发表于《Materials Today Communications》。

研究背景方面，可持续多孔纸基材料在过滤、包装和功能片材等领域需求日益增长，纤维素基多孔介质因其可调控的纤维网络结构而受到关注。传统韩国纸（Hanji）由构树皮纤维制成，具有长纤维网络和高耐久性，是构建多孔复合材料的理想平台。然而，农业残留物如甜叶菊副产品的利用目前多集中于活性炭、生物炭或聚合物填料，其作为纸基纤维网络中的结构改性添加剂尚未被充分探索。已有研究表明，非木材纤维和农业残留物可调节纸张的松厚度、强度、透气性等性能，但甜叶菊副产品在Hanji网络中是否可作为造孔添加剂、如何影响结构与性能的权衡，仍缺乏系统研究。

针对上述问题，研究人员制备了甜叶菊副产品含量为0–40 wt.%、基重为50和100 g/m²的Hanji复合片材，并通过粒径分析、厚度与松厚度测量、干/湿拉伸测试、Gurley透气阻力测试、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和热重分析（TGA/DTG）等手段评估其结构与性能关系。主要技术方法包括：使用CAMSIZER X2粒径分析仪表征甜叶菊粉末的粒径分布和球形度；按照标准纸页测试方法测量厚度、松厚度和拉伸强度；采用Gurley透气度仪测定空气阻力；利用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）观察形貌；通过EDS分析元素组成；在氮气气氛下进行TGA/DTG分析热降解行为。统计上采用单因素方差分析和Tukey HSD检验。

研究结果按原文小标题概述如下：

3.1 甜叶菊副产品的粒径特征
通过干法分散压力30、50、70 kPa下的粒径分析，测得甜叶菊粉末的D₅₀分别为86.73、87.72、72.82 μm，D₉₀在189.90–211.04 μm之间，平均球形度为0.7097–0.7250。这表明甜叶菊副产品粒径分布较宽，且颗粒非球形，可作为离散颗粒分布于纤维网络中。

3.2 含甜叶菊韩纸复合片材的结构特征
厚度和松厚度测量显示，随甜叶菊含量增加，50 gsm片材厚度从约210 μm增至约300 μm，松厚度从约4.2增至6.0 cm³/g；100 gsm片材厚度从约430 μm增至约540 μm，松厚度从约4.2增至5.4 cm³/g。这表明甜叶菊颗粒阻碍了纤维紧密堆积，促进了更开放的孔隙网络形成。统计分析确认甜叶菊含量对厚度和松厚度有显著影响（p < 0.001）。

3.3 含甜叶菊韩纸复合片材的力学性能
干态和湿态拉伸测试显示，随着甜叶菊含量从10 wt.%增至40 wt.%，MD和CD方向的干、湿拉伸强度均显著下降。例如100 gsm片材的干MD拉伸强度从约11.5 kgf/15 mm降至约4.4 kgf/15 mm；50 gsm片材的湿MD拉伸强度从约0.33 kgf/15 mm降至低于0.1 kgf/15 mm。原因在于甜叶菊颗粒减少了纤维-纤维有效接触面积，削弱了氢键结合和应力传递效率。尽管强度降低，含甜叶菊片材仍保持可测量的力学完整性。

3.4 透气特征与多孔气流行为
Gurley空气阻力测试结果表明，随甜叶菊含量增加，Gurley值降低。50 gsm片材从约1.3 s/300 cc降至约1.0 s/300 cc；100 gsm片材从约2.1 s/300 cc（10 wt.%）降至约1.1 s/300 cc（40 wt.%）。说明甜叶菊掺入使纤维网络开放度增加，内部空隙连通性提高，从而增强空气传输能力。统计检验显示该效应显著（p < 0.001）。

3.5 形貌与元素分析
FE-SEM观察显示，所有样品均保持缠结的Hanji纤维网络，但高含量样品中可见板片状颗粒分布在纤维之间，导致局部纤维堆积不连续和孔隙增大。EDS分析表明，所有样品的主要元素为碳和氧，含量略有波动但没有明显趋势，说明甜叶菊掺入未改变复合材料的有机本质，主要起物理结构改性作用。

3.6 含甜叶菊复合材料的热降解行为
TGA/DTG分析显示，所有样品呈现典型的纤维素热降解特征，主要失重发生在约250–400 °C。含甜叶菊片材在高温分解后的残余质量略有增加，DTG峰强度在100 gsm组中随含量增加略有降低，但未呈现严格的比例关系。这表明甜叶菊部分促进碳化残留物形成，但未根本改变纤维素的降解机制。

3.7 含甜叶菊复合材料的结构-性能关系
综合结果表明，甜叶菊副产品作为生物质衍生结构改性剂，通过占据纤维间空间，增加了片材厚度、松厚度和透气性，同时降低了干湿拉伸强度。这种结构-性能权衡关系与多孔纤维素材料的设计原则一致，即开放孔结构有利于空气传输，但会牺牲纤维间结合强度。

讨论部分指出，甜叶菊引起的结构开放效应在100 gsm片中更明显，说明较致密的多层纤维网络对造孔添加剂更敏感；而50 gsm片本身已较开放，变化幅度较小。同时，湿强度下降不仅与纤维结合面积减少有关，也与开放孔隙导致的吸水性增强有关。研究还指出，Gurley值反映整体流阻，不能直接量化孔径分布，这是本研究的一个局限。

研究结论为：本研究成功制备了含甜叶菊副产品的多孔Hanji复合片材，掺入甜叶菊增加了厚度和松厚度，降低了Gurley透气阻力，但降低了干态和湿态拉伸强度。SEM显示甜叶菊颗粒分布在纤维间而整体纤维网络仍保持，TGA/DTG显示热降解行为仍以纤维素为主，但残余碳量略有增加。结论表明，甜叶菊副产品可作为生物质基造孔和结构改性添加剂，用于调控Hanji复合片材的纤维网络开放度和透气性；其代价是力学强度下降，符合多孔纤维素复合材料的典型结构-性能权衡。未来需通过毛细管流动孔径仪等直接表征孔径分布，以建立孔结构与透气行为的定量关联。