活性炭加淀粉復(fù)合膜的物理性能

　　為了開發(fā)可持續(xù)發(fā)展的綜合性工業(yè)材料，開發(fā)了一種活性炭加淀粉復(fù)合膜。活性炭似乎是淀粉基生物材料的一種很有前途的添加劑。它是一種無(wú)毒、相對(duì)便宜的化合物，據(jù)報(bào)道顯示，它具有許多額外的物理和電化學(xué)特性。粉狀活性炭具有微晶結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)加工形成內(nèi)部孔隙。孔隙率的增加導(dǎo)致吸收表面的增加。它是一種對(duì)各種化合物具有高吸收能力的材料。它允許活性炭用作生物傳感器，廣泛應(yīng)用于水和空氣凈化過(guò)程以及高級(jí)氧化過(guò)程。本次研究添加活性炭對(duì)天然多糖聚合物的復(fù)合材料的機(jī)械、阻隔和表面性能的影響。

　　活性炭淀粉膜的特性

　　我們分別測(cè)試了活性炭膜的拉伸、劃痕、壓痕、濕潤(rùn)性和滲透率。具體參數(shù)請(qǐng)咨詢我們獲得，拉伸強(qiáng)度和最大應(yīng)變由單軸拉伸試驗(yàn)確定。使用配備有200N最大載荷傳感器的測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量。樣品為矩形，寬約3.5mm(每個(gè)樣品的精確值測(cè)量精度為0.01mm)，長(zhǎng)20mm。樣品的厚度范圍為0.060毫米至0.110毫米，并在每次測(cè)試前以0.001毫米的精度進(jìn)行測(cè)量。夾具之間的初始距離始終為11毫米，樣品以0.5毫米/分鐘的速度拉長(zhǎng)。對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行五次獨(dú)立的拉伸試驗(yàn)。水蒸氣滲透率使用重量法測(cè)量，基于在嚴(yán)格限定的條件下測(cè)量薄膜覆蓋容器隨時(shí)間的質(zhì)量損失(圖1)。容器中裝有蒸餾水并用薄膜密封等。

　　圖1：用于水蒸氣滲透率測(cè)試的淀粉復(fù)合膜覆蓋容器的圖像。

　　具有不同百分比的原料活性炭和熱塑性淀粉(TPS)的X射線衍射(XRD)測(cè)量結(jié)果顯示在圖2ab中。在原活性炭粉末的X射線衍射圖中(圖2a)，可以在大約2θ=25°和44°處分辨出兩個(gè)非常寬的衍射峰，對(duì)應(yīng)于碳的(002)和(001)晶面，以及一些半峰寬相對(duì)較窄的峰。寬峰的存在表明原料活性炭結(jié)構(gòu)中非晶相的含量很高。然而，窄峰的存在表明測(cè)試粉末中結(jié)晶相的含量。

　　圖2：(a)原料粉狀活性炭的XRD圖，(b)含0%(C0)、1%(C1)、2%(C2)、3%(C3)、4%(C4)、5%(C5)、10%(C10)和15%(C15)活性炭的熱塑性淀粉樣品的XRD圖。

　　源自填料的活性炭薄膜的機(jī)械性能沒有嵌入生物聚合物基質(zhì)中。圖2b所示的衍射測(cè)試結(jié)果得到證實(shí)。注意到活性炭?jī)A向于團(tuán)聚。聚集是一個(gè)多尺度問(wèn)題，與納米粒子的形態(tài)、質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。然而，研究聚合過(guò)程超出了本研究的范圍。這項(xiàng)工作的主要目標(biāo)是確定活性炭添加對(duì)聚合物薄膜物理性能的影響。所得結(jié)果表明物理性質(zhì)與添加劑的量之間沒有單調(diào)關(guān)系。在進(jìn)一步的研究中，我們打算分析材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)關(guān)注添加劑顆粒的團(tuán)聚，這會(huì)減少活性炭和生物聚合物基質(zhì)之間的有效接觸面積，并充當(dāng)內(nèi)部應(yīng)力集中器。上述影響會(huì)影響復(fù)合材料的機(jī)械性能。

　　進(jìn)一步的研究可能集中在測(cè)定所得薄膜的吸附效率上。此外，由于活性炭的特征結(jié)構(gòu)，可以假設(shè)以這種方式獲得的生物復(fù)合材料作為創(chuàng)新包裝或作為可生物降解的吸附墊(例如，用于重金屬離子)可能具有額外的保護(hù)特性。為了改變生物聚合物的物理性質(zhì)，活性炭的添加比例為干淀粉重量的1-5%、10%和15%。結(jié)果，獲得的薄膜顯著改變了它們的顏色，從C0樣品的透明到C15樣品的完全黑色和不透明。通過(guò)超納米壓痕、納米劃痕和微拉伸試驗(yàn)對(duì)富含粉末活性炭的淀粉基生物聚合物進(jìn)行了檢測(cè)。由于已知生物復(fù)合膜的機(jī)械性能與其結(jié)構(gòu)相關(guān)，因此使用X射線衍射研究了添加活性炭的影響。通過(guò)原子力顯微鏡和接觸角測(cè)量研究表面形態(tài)和潤(rùn)濕性。阻隔性能由水蒸氣滲透率和水溶性指數(shù)確定。

　　活性炭加淀粉復(fù)合膜是基于源自可再生自然資源的熱塑性淀粉的可生物降解聚合物。它們由無(wú)毒材料制成，用于短期使用，可用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的地膜、袋子和可堆肥制品等產(chǎn)品。這種比傳統(tǒng)包裝更便宜的替代品，可以提高食品質(zhì)量和安全性，同時(shí)降低成本，可以與食物垃圾一起堆肥。此外，使用活性炭作為填料會(huì)改變聚合物的顏色，從而保護(hù)包裝產(chǎn)品免受光照。包裝材料中的色調(diào)改性也可能具有營(yíng)銷功能。

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