活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭加淀粉复合膜的物理性能

　　为了开发可持续发展的综合性工业材料，开发了一种活性炭加淀粉复合膜。活性炭似乎是淀粉基生物材料的一种很有前途的添加剂。它是一种无毒、相对便宜的化合物，据报道显示，它具有许多额外的物理和电化学特性。粉状活性炭具有微晶结构，经过加工形成内部孔隙。孔隙率的增加导致吸收表面的增加。它是一种对各种化合物具有高吸收能力的材料。它允许活性炭用作生物传感器，广泛应用于水和空气净化过程以及高级氧化过程。本次研究添加活性炭对天然多糖聚合物的复合材料的机械、阻隔和表面性能的影响。

　　活性炭淀粉膜的特性

　　我们分别测试了活性炭膜的拉伸、划痕、压痕、湿润性和渗透率。具体参数请咨询我们获得，拉伸强度和最大应变由单轴拉伸试验确定。使用配备有200N最大载荷传感器的测试仪进行测量。样品为矩形，宽约3.5mm(每个样品的精确值测量精度为0.01mm)，长20mm。样品的厚度范围为0.060毫米至0.110毫米，并在每次测试前以0.001毫米的精度进行测量。夹具之间的初始距离始终为11毫米，样品以0.5毫米/分钟的速度拉长。对每个样品进行五次独立的拉伸试验。水蒸气渗透率使用重量法测量，基于在严格限定的条件下测量薄膜覆盖容器随时间的质量损失(图1)。容器中装有蒸馏水并用薄膜密封等。

　　图1：用于水蒸气渗透率测试的淀粉复合膜覆盖容器的图像。

　　具有不同百分比的原料活性炭和热塑性淀粉(TPS)的X射线衍射(XRD)测量结果显示在图2ab中。在原活性炭粉末的X射线衍射图中(图2a)，可以在大约2θ=25°和44°处分辨出两个非常宽的衍射峰，对应于碳的(002)和(001)晶面，以及一些半峰宽相对较窄的峰。宽峰的存在表明原料活性炭结构中非晶相的含量很高。然而，窄峰的存在表明测试粉末中结晶相的含量。

　　图2：(a)原料粉状活性炭的XRD图，(b)含0%(C0)、1%(C1)、2%(C2)、3%(C3)、4%(C4)、5%(C5)、10%(C10)和15%(C15)活性炭的热塑性淀粉样品的XRD图。

　　源自填料的活性炭薄膜的机械性能没有嵌入生物聚合物基质中。图2b所示的衍射测试结果得到证实。注意到活性炭倾向于团聚。聚集是一个多尺度问题，与纳米粒子的形态、质量和化学性质有关。然而，研究聚合过程超出了本研究的范围。这项工作的主要目标是确定活性炭添加对聚合物薄膜物理性能的影响。所得结果表明物理性质与添加剂的量之间没有单调关系。在进一步的研究中，我们打算分析材料的内部结构，重点关注添加剂颗粒的团聚，这会减少活性炭和生物聚合物基质之间的有效接触面积，并充当内部应力集中器。上述影响会影响复合材料的机械性能。

　　进一步的研究可能集中在测定所得薄膜的吸附效率上。此外，由于活性炭的特征结构，可以假设以这种方式获得的生物复合材料作为创新包装或作为可生物降解的吸附垫(例如，用于重金属离子)可能具有额外的保护特性。为了改变生物聚合物的物理性质，活性炭的添加比例为干淀粉重量的1-5%、10%和15%。结果，获得的薄膜显着改变了它们的颜色，从C0样品的透明到C15样品的完全黑色和不透明。通过超纳米压痕、纳米划痕和微拉伸试验对富含粉末活性炭的淀粉基生物聚合物进行了检测。由于已知生物复合膜的机械性能与其结构相关，因此使用X射线衍射研究了添加活性炭的影响。通过原子力显微镜和接触角测量研究表面形态和润湿性。阻隔性能由水蒸气渗透率和水溶性指数确定。

　　活性炭加淀粉复合膜是基于源自可再生自然资源的热塑性淀粉的可生物降解聚合物。它们由无毒材料制成，用于短期使用，可用于农业领域的地膜、袋子和可堆肥制品等产品。这种比传统包装更便宜的替代品，可以提高食品质量和安全性，同时降低成本，可以与食物垃圾一起堆肥。此外，使用活性炭作为填料会改变聚合物的颜色，从而保护包装产品免受光照。包装材料中的色调改性也可能具有营销功能。

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