瓷粉增强剑麻/苎麻纤维杂化聚合物复合材料的抗菌与结构性能研究及其工程应用价值

推荐：为解决天然纤维复合材料机械性能不足、抗菌功能欠缺等问题，研究人员通过将瓷粉（porcelain）填充至剑麻（sisal）/苎麻（ramie）纤维增强环氧树脂基体中，开发出兼具高力学强度（拉伸强度83.41 MPa）和抗菌活性（抑菌圈10 mm）的可持续复合材料。该材料热稳定性提升至325°C，疲劳寿命达14,000次循环，为结构-功能一体化生物医用材料设计提供新思路。

　　

在全球可持续发展战略推动下，天然纤维复合材料因其低碳、可降解特性成为替代合成材料的焦点。然而，天然纤维固有的低机械强度、易吸湿性及缺乏功能性（如抗菌性）严重制约其在医疗、建筑等领域的应用。传统解决方案如添加金属氧化物虽能改善性能，却可能引发生物相容性和环境问题。如何通过绿色改性技术实现材料多功能化，成为当前研究的瓶颈。

针对这一挑战，来自SM Composite Pvt Ltd和Saveetha Dental College and Hospitals的研究团队创新性地将废弃瓷粉（porcelain particles）作为功能填料，与剑麻（sisal）/苎麻（ramie）纤维及环氧树脂（LY556/Hy951）复合，开发出兼具结构强度与抗菌特性的杂化材料。该成果发表于《Results in Engineering》，为生态友好型功能材料设计提供了新范式。

研究采用手糊成型（hand layup）工艺制备五组不同瓷粉含量（3-15g）的复合材料，通过抑菌圈法（zone of inhibition）评估抗菌性，依据ASTM标准测试力学性能，结合扫描电镜（SEM）和热重分析（TGA）解析微观结构与热稳定性。样本队列中瓷粉来源于牙科陶瓷废弃物，实现了资源循环利用。

3.1 机械性能
瓷粉的加入使复合材料呈现梯度增强效应：拉伸强度从61.74 MPa（L1）提升至83.41 MPa（L4），归因于瓷粉粗糙表面促进的机械互锁作用；弯曲强度达85.38 MPa，优于传统剑麻复合材料（60-80 MPa）；冲击韧性提升68%（25.8 kJ/m²
），得益于瓷粉的裂纹偏转效应。过量填充（L5）则因颗粒团聚导致性能下降。

3.2 SEM与EDX分析
电镜显示瓷粉在基体中均匀分散（元素占比Si K 2.97 wt%），纤维-填料-树脂三相界面结合紧密，但瓷粉的脆性可能导致局部应力集中。

3.3 抗菌活性
对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抑菌圈达10 mm，较空白组提高25%。t检验证实差异显著性（p=9.12×10^?7
），主要归因于瓷粉的碱性微环境破坏细菌膜结构。

3.4 疲劳行为
在30%极限应力下，L4样本承受30,000次循环后残余强度保持28 MPa，比苎麻-CuO复合材料（24,000次）寿命延长25%，归功于瓷粉阻碍裂纹扩展。

3.5 热稳定性
TGA曲线显示瓷粉使分解温度提升25°C（300→325°C），残炭量增加至13%，证实其作为热屏障的有效性。

该研究证实瓷粉的协同效应可突破天然纤维复合材料的性能边界：其硅铝酸盐组分（SiO₂
/Al₂
O₃
）同时解决机械强化、抗菌功能和热稳定三大核心问题，且原料来源于医疗废弃物，契合循环经济理念。相比金属氧化物填料，瓷粉在成本与生物安全性上更具优势，为医疗器械、环保包装等领域的材料升级提供工业化潜力。未来需通过X射线衍射（XRD）等进一步解析瓷粉晶体结构对界面键合的影响机制。