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煤-大豆蛋白复合材料的绿色制备与性能调控研究

一、引言

（一）研究背景与意义

在全球可持续发展的大背景下，传统石油基材料因不可降解性和资源枯竭问题，逐渐引发了广泛关注。寻找绿色、可再生的替代材料成为材料科学领域的重要课题。大豆蛋白塑料作为一种生物基材料，以其来源广泛、生物降解性良好等显著优势，脱颖而出，成为了石油基材料的有力绿色替代品，备受科研人员和产业界的青睐。

大豆是世界上广泛种植的农作物之一，每年的产量巨大，这为大豆蛋白的提取提供了丰富的原材料。而且，大豆蛋白在自然环境中能够被微生物分解，最终转化为水、二氧化碳和其他无害物质，不会对环境造成长期的污染。然而，如同许多新兴材料一样，大豆蛋白塑料在实际应用中也面临着诸多挑战。其中，力学性能受水分影响大以及加工稳定性差等问题尤为突出，严重限制了其大规模的商业应用。当大豆蛋白塑料暴露在高湿度环境中时，其力学性能会急剧下降，这使得它在一些对材料稳定性要求较高的场景中难以发挥作用。而且，在加工过程中，大豆蛋白塑料容易出现热分解、流动性差等问题，增加了加工的难度和成本。

与此同时，煤炭作为一种传统的化石能源，在全球能源结构中一直占据着重要地位。然而，随着能源转型的加速和环保要求的日益严格，煤炭的传统利用方式面临着巨大的压力。低附加值的煤粉体，如低变质程度煤、风化煤等，由于其热值低、燃烧效率低等原因，难以作为动力煤应用，往往被视为废弃物，不仅造成了资源的浪费，还对环境造成了一定的负担。将这些低附加值的煤粉体作为功能性填料引入大豆蛋白基体，为解决上述两个问题提供了新的思路。

从材料性能提升的角度来看，煤粉体的加入可以有效改善大豆蛋白塑料的耐水性和强度。煤粉体中的无机成分可以与大豆蛋白分子形成物理或化学交联，增强材料的内部结构稳定性，从而提高其耐水性。而且，煤粉体的刚性结构可以起到增强作用，提高复合材料的力学强度。从资源利用的角度来看，这种结合方式为煤炭资源的高值化利用开辟了一条新的路径。通过将原本难以利用的煤粉体转化为高性能复合材料的一部分，不仅实现了资源的有效利用，还减少了煤炭废弃物对环境的影响。这一研究对于推动环保材料产业的发展和煤炭资源的循环利用具有重要的现实意义，有望在多个领域实现经济与环境的双赢。

（二）研究目标与创新点

本研究紧紧围绕煤-大豆蛋白复合材料展开，核心目标在于全面优化其制备工艺，并深入解析其性能机制。在制备工艺方面，着重对煤粉进行表面改性处理。通过化学接枝、物理包覆等方法，在煤粉表面引入特定的官能团或界面层，增强煤粉与大豆蛋白基体之间的相容性，减少界面缺陷，提高复合材料的整体性能。在组分协同设计上，精确调控煤粉体与大豆蛋白的比例，同时筛选和添加合适的助剂，如增塑剂、稳定剂等，以实现各组分之间的协同增效作用，使复合材料在力学性能、耐水性、加工性能等方面达到最佳平衡。

深入构建“煤-蛋白”界面化学键合模型是本研究的关键任务之一。运用先进的光谱分析技术（如傅里叶变换红外光谱、拉曼光谱）、显微技术（如扫描电子显微镜、透射电子显微镜）以及分子动力学模拟等手段，从微观层面揭示煤粉体与大豆蛋白之间的化学键合方式、键能大小以及界面结构特征，明确界面相互作用对复合材料性能的影响机制。

本研究的创新点主要体现在以下几个方面：在改性方法上，突破传统的单一改性思路，采用多步复合改性技术，将化学改性与物理改性相结合，对煤粉和大豆蛋白进行同步改性，从而更有效地改善两者之间的界面相容性，提高复合材料的综合性能。在模型构建中，首次将量子化学计算引入“煤-蛋白”界面化学键合模型的构建中，从电子云分布、电荷转移等微观角度深入理解界面化学键的形成过程和本质特征，使模型更加准确地反映界面相互作用的实际情况。通过本研究，期望能够为高性能生物基复合材料的开发提供坚实的理论基础和可行的技术支撑，推动该领域的进一步发展。

二、煤-大豆蛋白复合材料的绿色制备工艺

二、煤-大豆蛋白复合材料的绿色制备工艺

（一）原料筛选与预处理

原料组成与配比

本研究采用脱脂大豆粉（200-500目，含水量＜10%）作为大豆蛋白的来源。该目数范围的脱脂大豆粉具有较大的比表面积，能够充分与其他组分接触和反应，有利于复合材料性能的提升。其较低的含水量有效避免了在后续加工过程中因水分蒸发而产生的气泡、孔洞等缺陷，保证了材料结构的完整性。低变质程度煤（褐煤/风化煤，粒径D50=5-7μm，含水量＜5%）作为功能性填料被引入。此粒径的煤粉具有良好的分散性，能够均匀地分布在大豆蛋白基体中，充分发挥其增强作用。低含水量同样有助于提高复合材料的稳定性，减少因水分引起的不良反应。

甘油（增塑剂，纯度≥99%）的加入，能够有效改善复合材料的柔韧性和加工性能。高纯度的甘油保证了其增塑效果的稳定性和可靠性，避免