海藻对基于聚己二酸丁二醇酯对苯二甲酸酯复合材料的拉伸、热性能与粘弹性行为的影响

将海藻变为日常材料

塑料在现代生活中无处不在，但大多数塑料在环境中停留数十年。本研究探索了一种来自海洋的意料之外的助力——红藻——用于改良一种可降解塑料，使我们更接近更环保的包装和一次性用品。研究人员将粉末状海藻与一种常见的可堆肥塑料混合，测试是否可以调节强度、刚度和耐热性，以满足食品包装和药品等现实用途的需求。

从海洋植物到塑料颗粒

研究者把注意力集中在一种叫 PBAT 的柔性可降解塑料上，这种材料已用于商业应用，但受限于强度和耐热性较为一般。他们将其与细磨的红藻 Kappaphycus alvarezii 粉末结合，这种藻类是广泛养殖的物种，常作为食品中增稠剂卡拉胶的来源。在洗净、干燥并研磨至约人发丝直径的粉末后，他们将其以不同负载量（按重量计 10%、20%、30% 和 40%）掺入熔融的 PBAT 中。然后将混合物制成颗粒并通过压缩成型得到平板和标准测试样件，形成一系列海藻—塑料复合材料。

新材料如何承载负荷

为了解这种海洋填料如何改变力学行为，团队在拉伸试验机中拉伸样品。随着海藻含量增加，材料的拉伸强度——即断裂前可承受的拉力——下降，最高海藻含量的样品其强度大致降为纯 PBAT 的一半。这很可能源于刚性海藻颗粒打断了平滑的塑料网络，产生微小空隙和薄弱点。与此同时，材料显著变得更为刚硬：拉伸模量（衡量抗拉伸变形的能力）大幅上升，在 40% 海藻含量时超过三倍。换言之，随着海藻负载的增加，复合材料从一种柔软、易拉伸的塑料向更为坚硬、类似板材的材料演变。

对热与运动的响应

除了简单的拉伸测试，团队还考察了复合材料在小幅重复变形和升温条件下的行为——这些条件更接近实际使用情形。动态力学分析显示，加入海藻总体上提高了储能模量，表明在较宽温度范围内刚度增加，尤其在约 20% 负载时高温下的刚度表现尤为显著。粘性响应和能量耗散（通过损耗模量和称为 tan δ 的阻尼因子跟踪）也发生了变化：海藻颗粒限制了 PBAT 链段的自由运动，降低了阻尼峰值，但玻璃化转变温度并未发生明显位移。热分析则提供了更细致的见解。热重分析显示纯 PBAT 在高温下单步分解，而复合材料则呈两阶段分解——先是海藻，随后是塑料。混合物的整体热稳定性处于各组分之间，但高温残余物随海藻含量增加而上升，因海藻燃炭含矿物质较多。

显微镜下的发现

断裂面显微图帮助将性能与结构联系起来。纯 PBAT 展示出平滑、均匀的断面。加入海藻后，图像显示随负载增加嵌入颗粒和可见孔隙增多。在较低含量时颗粒分散较好，但在较高含量下出现团聚和缺陷，为裂纹起始和扩展提供了便捷通道——这与强度下降一致。与此同时，这些刚性夹杂物的存在也有助于解释模量和高温刚度增加的原因：这些颗粒类似于软砂浆中的微小增强石块，在抵抗弯曲方面发挥作用，即使在承受较大载荷时它们会引入薄弱点。

这对更环保的塑料意味着什么

对普通读者来说，关键结论是海藻不仅能使汤汁变稠；它还能用于设计具有定制性能的可降解塑料。在本研究中，将粉状红藻掺入 PBAT 得到的复合材料比原始塑料更刚硬且更易于热性能调控，但强度有所下降。此类含海藻材料可能适用于对刚性和可降解性要求高而对极限强度要求相对较低的环保包装或一次性用品。结果还表明，性能在很大程度上取决于海藻的添加量及其分散均匀性，这为未来在工艺和配方方面的改进指明了方向。总体而言，该研究展示了将海洋生物质升级为实用且更可持续材料的一条有前景的途径。

引用: Hamdan, M.H., Sarmin, S.N., Karim, Z. et al. Impact of seaweeds on tensile, thermal and viscoelasticity behavior of polybutylene adipate terephthalate-based composites. Sci Rep 16, 7985 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38634-0

关键词: 可降解塑料, 海藻复合材料, 环保包装, PBAT 材料, 绿色材料