本研究系统考察了生物炭增强再生聚丙烯（rPP）复合材料的热降解机制与高温稳定性，其中生物炭含量为0–6 wt.%。复合材料通过熔融共混结合注射成型制备，其热学性能与结构行为采用热重分析（TGA）、差示扫描量热法（DSC）、热变形温度（HDT）测试及傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行综合表征。TGA结果表明，随生物炭含量增加，最大降解温度（Tmax）逐步升高，残留炭含量由1.1%增至9.2%，表明通过碳质屏障形成增强了热阻。含6 wt.%生物炭的复合材料表现出最优热稳定性，Tmax最大提升20 °C，且降解起始温度延后。尽管DSC分析显示结晶度略有降低，HDT值却显著升高，最高达129.5 °C，表明受限的聚合物链运动及填料诱导的热屏障效应主导了稳定化机制。FTIR光谱证实聚丙烯骨架结构得以保持，未形成新的化学键，表明增强作用主要通过物理界面相互作用实现。综合热分析与光谱分析表明，生物炭可作为再生聚丙烯的有效可持续多功能热稳定剂，在不损害结构完整性的前提下显著改善高温性能，为热苛刻工程应用提供了良好潜力。
本研究围绕生物炭增强再生聚丙烯（rPP）复合材料的热稳定性及降解行为展开系统研究，通过熔融共混与注射成型制备了含0–6 wt.%生物炭的复合材料，并采用TGA、DSC、HDT及FTIR等技术进行多维度表征。
**实验部分**
原材料方面，研究所用rPP的熔体流动指数（MFI）约为11 g/10 min（230 °C/2.16 kg），密度为0.905 g/cm
3，由印度泰米尔纳德邦当地工业供应商提供，以颗粒形式直接使用。增强相生物炭来源于当地家具作坊的混合废硬木，经清洗后在85 °C下干燥24 h，于约500 °C限氧条件下碳化2 h，冷却后经机械粉碎并筛分至75 µm以下备用。复合材料中生物炭含量设为0、2、4、6 wt.%四组，rPP与生物炭于75 °C预干燥4 h后，采用同向双螺杆挤出机进行熔融共混（机筒温度170–190 °C，螺杆转速60 rpm），挤出造粒后经注射成型（机筒温度180–200 °C，模具温度约35 °C，注射压力约75 MPa）制备标准试样。
**差示扫描量热法（DSC）分析**
DSC分析采用PerkinElmer DSC-4000仪器，在氮气氛围下以10 °C/min的速率进行30–200 °C的加热-冷却-再加热循环。结果表明，所有样品均呈现单一的显著熔融峰，表明存在主导的α-晶型聚丙烯。纯rPP的熔融温度（T
m）为162.83 °C，生物炭的加入仅引起熔融峰温度的边际变化（2 wt.%时略升至163.23 °C，高含量时基本维持163 °C左右），说明生物炭未显著改变聚丙烯的晶体结构或熔融稳定性。冷却曲线同样显示结晶行为仅有轻微偏移。然而，熔融焓（ΔH
m）随生物炭含量增加而逐步降低，纯rPP为47.59 J/g，6 wt.%时降至35.44 J/g；结晶度相应由22.99%降至18.17%（经填料含量校正后）。这种下降归因于刚性生物炭颗粒对聚合物链运动的物理阻碍作用，限制了结晶过程中层状结构的生长。低含量时生物炭可能充当异相成核剂，但高含量下链运动受限成为主导效应。值得注意的是，尽管结晶度降低，但后续HDT分析表明热稳定性反而提升，说明填料诱导的链运动限制及热屏障效应比结晶度本身对高温性能的影响更为关键。
**热重分析（TGA）**
TGA采用TGA Q500系统，在氮气氛围中从30 °C以10 °C/min升温至900 °C。纯rPP的10%质量损失温度（T
10%）为353 °C，T
max为464 °C，残炭率仅1.1%。随生物炭含量增加，T
10%逐步升至372 °C（6 wt.%），T
max系统性地提升至484 °C，最大增幅达20 °C；残炭率显著增加至9.2%。TGA与DTG曲线的整体向高温区推移，表明生物炭有效延迟了热降解的起始与传播。这种改善归因于生物char的热稳定芳香结构在聚合物基体中形成物理热屏障，限制热量传递至聚合物链，阻碍挥发性降解产物扩散，同时其碳质结构可能部分稳定热降解过程中产生的自由基，从而延缓降解传播反应。6 wt.%生物炭复合材料在未出现热劣化迹象的情况下达到最优热稳定性，表明该含量在有效分散范围内实现了热屏障形成与炭稳定化的最大化。
**热变形温度（HDT）测试**
按ASTM D648标准，在0.455 MPa恒定弯曲应力及2 °C/min升温速率下进行HDT测试。纯rPP的HDT为104.4 °C，随生物炭含量增加呈显著上升趋势：2 wt.%时110.0 °C，4 wt.%时116.5 °C，6 wt.%时达到129.5 °C，较纯rPP提升约25 °C。HDT几乎随生物炭含量线性增加，表明生物炭显著改善了rPP在高温下的尺寸稳定性。这种提升源于热稳定的碳质生物char颗粒在高温下限制聚合物链运动，延迟软化 onset；同时其高稳定性降低了热传至周围聚合物链的速率，抑制早期热松弛过程。6 wt.%以内未出现下降趋势，说明该范围内填料分散良好且界面作用有效。
**傅里叶变换红外光谱（FTIR）结构解析**
FTIR采用Bruker Alpha II光谱仪配ATR附件，在4000–400 cm
-1范围内以4 cm
-1分辨率采集32次扫描平均谱图。所有样品均呈现聚丙烯的特征吸收带，表明生物炭加入后聚合物基体的基本化学结构保持不变，复合材料形成以物理相互作用为主导。随生物炭含量增加，C–H伸缩与弯曲振动强度略有降低，这可归因于生物炭的稀释效应及填料-基体相互作用对链运动的限制。约在3670 cm
-1处存在弱宽峰，对应羟基（–OH），可能源于生物炭表面官能团或再生聚丙烯中的少量氧化物种。1700–1740 cm
-1范围内未出现显著羰基峰，表明加工过程中未发生明显氧化降解。974 cm
-1和718 cm
-1处的特征结晶带在各组分中均得以保留，证实生物炭未改变rPP的晶体结构。FTIR结果表明，生物炭增强通过物理吸附及可能的π–π相互作用等物理界面作用实现，未诱导聚合物主链的化学改性。这些相互作用限制链段运动、提升热阻，同时保持聚丙烯固有分子结构。
**相关性分析**
综合分析表明，生物炭含量与各项热参数间存在强正相关。T
max、残炭率与HDT的提升趋势一致，而结晶度的降低与HDT增强并存，说明热稳定性主要由受限链运动而非结晶度分数主导。FTIR确认的无新化学键形成支持了物理增强机制。与文献报道相比，本研究系统在T
max增幅（20 °C）和残炭率（9.2%）方面优于其他生物炭增强聚烯烃体系。生物炭通过热稳定碳质结构形成、聚合物链运动限制及降解过程中保护性炭层形成的协同机制，显著提升了复合材料的高温性能。
