硅烷改性扇叶纤维增强聚合物纳米复合材料的物理-机械-热学特性研究

本研究针对天然纤维复合材料界面结合弱、热稳定性差等问题，通过NaOH处理和硅烷偶联剂(KH-171)修饰扇叶纤维(BFLF)，创新性地整合稻壳纳米颗粒(RHN)开发新型纳米复合材料。研究采用FT-IR、XRD、SEM等技术证实RHN成功负载(86-95 nm)，使复合材料空隙率降低至1.578%，拉伸强度提升48.8%达19.90±0.79 MPa，热稳定性提高至384°C。该成果为开发低成本轻量化复合材料（应用于建筑隔板、家电面板等领域）提供了新思路。

　　

在追求可持续发展的时代背景下，合成纤维带来的环境问题日益凸显。天然纤维虽具有可降解、低成本等优势，但普遍存在机械强度不足、热稳定性差等缺陷。特别是扇叶纤维(Borassus flabellifer leaflet fibres, BFLF)这类具有地域特色的天然材料，其潜在应用价值尚未被充分挖掘。如何通过绿色改性技术提升天然纤维复合材料的性能，成为材料科学领域亟待突破的难题。

来自国内的研究团队在《Next Materials》发表了一项创新研究，通过多尺度改性策略开发出性能优异的BFLF增强纳米复合材料。研究人员首先采用5 wt% NaOH溶液处理纤维去除羟基杂质，随后利用球磨法制备稻壳纳米颗粒(RHN)，并通过硅烷偶联剂(KH-171)将其以0.3-0.9 wt%的比例整合至纤维表面。这种"化学处理+纳米修饰"的双重改性方法，成功解决了天然纤维与聚合物基体界面结合弱的行业痛点。

研究采用四大关键技术：扫描电镜(SEM)观察纤维形貌、能量色散X射线光谱(EDX)分析元素组成、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)鉴定官能团变化、X射线衍射(XRD)测定结晶度指数(CI)。所有样本均来自印度奥里萨邦Bargarh森林的扇叶植物和Raigarh地区的稻米加工厂。

【形貌与结构特征】
SEM显示0.5 wt% RHN处理的纤维表面均匀分布纳米颗粒，而0.9 wt%组出现团聚现象。EDX证实改性后纤维表面硅(Si)含量从2.2%增至2.7%，验证了RHN的成功负载。FT-IR谱图中1732 cm^-1处峰消失，证实碱处理有效去除了半纤维素。

【物理机械性能】
密度测试表明0.9 wt% RHN组空隙率最低(1.578%)。力学测试显示0.5 wt% RHN组性能最优：拉伸强度19.90±0.79 MPa，较未处理组提升48.8%；弯曲模量达3.39±0.16 GPa。但冲击吸收随RHN含量增加呈下降趋势，0.9 wt%组降至38.14±1.90 kJ/m²，这与材料刚性增强相关。

【热稳定性】
热重分析(TGA)揭示0.5 wt% RHN组热分解起始温度达315°C，残炭率0.81%，表明纳米颗粒的屏障效应显著提升了材料耐热性。但当RHN过量时(0.9 wt%)，热稳定性反而降低，这与SEM观察到的颗粒团聚现象相互印证。

这项研究通过巧妙的界面工程设计，使BFLF复合材料的综合性能获得突破性提升。特别值得注意的是，0.5 wt%被确定为RHN最佳负载量——该比例既能最大化利用纳米颗粒的增强效应，又可避免团聚带来的负面影响。研究成果不仅为天然纤维的高值化利用提供了新方案，其"绿色改性+纳米增强"的技术路线对开发其他生物基复合材料也具有重要借鉴意义。论文中关于硅烷偶联剂在纳米-微米多尺度界面中的桥梁作用机制，尤为值得材料界面科学研究人员关注。