阿尔伯塔大麻纤维表面改性：化学处理对木质纤维素组成及力学性能的优化研究

本研究针对天然大麻纤维在复合材料应用中存在的界面相容性差、力学性能不足等问题，系统评估了H2O2和GPTMS化学处理对阿尔伯塔大麻纤维的改性效果。研究发现1% GPTMS处理使纤维抗拉强度提升65.08%，直径减小20.76%，同时成本最低（1.08加元/克），为开发高性能可持续材料提供了经济高效的解决方案。

　　

在追求可持续发展的全球背景下，天然植物纤维作为环保型复合材料增强相备受关注。其中，大麻（Cannabis sativa L.）纤维因其优异的力学性能和碳封存能力成为研究热点，但其实际应用仍面临三大挑战：木质纤维素复杂结构导致的界面结合弱、水分敏感性引发的性能退化，以及天然纤维固有的性能变异大等问题。这些缺陷严重制约了大麻纤维在航空航天、汽车制造等高端领域的应用。

阿尔伯塔Hemp Works的研究团队在《Industrial Crops and Products》发表的研究中，首次对加拿大阿尔伯塔地区种植的大麻纤维（品种Canda）进行了系统改性研究。通过对比氢 peroxide（H₂O₂）和3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）两种化学处理方案，发现1% GPTMS处理在提升力学性能、降低直径和成本控制方面展现出综合优势，其抗拉强度较未处理纤维提升65.08%，直径减小至58.33 μm，处理成本仅1.08加元/克纤维。该研究为北美地区大麻纤维的高值化利用提供了重要数据支撑。

研究采用三项关键技术：ASTM C1557标准单纤维拉伸测试评估力学性能，NREL标准方法分析木质纤维素（纤维素/半纤维素/木质素）组成，以及Weibull统计模型量化纤维强度离散性。所有实验均在75%相对湿度（RH）条件下进行，确保数据可比性。

【材料与方法】
研究选用阿尔伯塔地区2022年采收的露浸大麻纤维，通过锤式脱胶机去除髓质。创新性地在化学处理前增加Sparkleen表面活性剂清洗步骤，有效去除土壤残留。

【生物质分析】
5% H_{2</O2处理使纤维素含量提升36.50%至86.72%，而20% GPTMS使半纤维素增加17.03%。有趣的是，6% H2</O2处理引发木质素异常增加53.17%，推测与酸性条件下的缩合反应有关。}

【单纤维拉伸性能】
1% GPTMS处理展现出最佳综合性能：抗拉强度达248.36 MPa（提升65.08%），延伸率保持0.6854 mm，Weibull模量2.12表明性能稳定性最优。相比之下，6% H_{2</O2处理纤维直径膨胀42.23%至102.72 μm，导致强度离散性增大。}

【成本效益】
GPTMS处理成本显著低于H_{2</O2，1%浓度处理成本仅为6% H2</O2的15%，展现出更好的工业化应用前景。}

该研究揭示GPTMS通过硅氧烷层覆盖纤维表面缺陷的增强机制，同时证实阿尔伯塔大麻纤维经优化处理后性能可达文献报道的优质大麻纤维水平。研究建立的"清洗-处理-评价"标准化流程，为天然纤维改性提供了可复用的方法论框架。更重要的是，1% GPTMS处理在成本与性能间取得的平衡，为汽车轻量化、可降解包装等可持续材料开发提供了新选择，这对推动加拿大西部农业资源高值化利用具有重要战略意义。未来研究可进一步探索混合处理方案及规模化生产工艺优化。