蒸汽爆破处理对喜马拉雅剑麻纤维化学、力学及热学特性的影响研究

本文系统研究了蒸汽爆破联合碱（NaOH）酸处理对喜马拉雅剑麻纤维（HSF）化学组成、力学性能及热稳定性的影响。通过FTIR、XRD、TGA、SEM等表征手段证实，NaOH处理可显著提升纤维纤维素含量（85.04 wt.%）、结晶度（63.18%）及热分解温度（390°C），为生物复合材料替代合成纤维提供了理论依据。

　　

Highlight

化学特性分析

剑麻纤维最常见的化学成分为纤维素组分（纤维素和半纤维素）、木质素和蜡质，这些成分影响纤维的物理、化学和机械特性。表1展示了未经处理、NaOH处理和酸处理剑麻纤维的化学成分。碱（NaOH）处理引起纤维素纤维膨胀，去除了半纤维素、木质素和蜡质，从而显著改变了纤维的化学特性。

力学性能研究

采用Mantis单纤维拉伸测试仪对原始、NaOH处理、以及经漂白和草酸预处理后蒸汽爆破的纤维进行拉伸强度测试。实验遵循ASTM-C1157标准，每组样品重复三次测试以获取可靠数据。

傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析

纤维经粉碎压片后，使用红外光谱仪（岛津IR affinity-1）在450-4000 cm^-1波数范围内进行光谱测量，追踪处理过程中官能团变化。

X射线衍射（XRD）表征

采用布鲁克D8先进衍射仪（40kV/30mA，Cu靶辐射）获取原始与处理纤维的XRD图谱。通过公式3计算纤维素微晶的结晶度指数（CI），公式4计算百分比结晶度（% Cr）：

CI = (I_max - I_amorphous) / I_max

% Cr = (I_crystalline / (I_crystalline + I_amorphous)) × 100

其中I_amorphous为无定形区最低强度值，I_max代表纤维素I晶型（002）晶面最大衍射强度。

热重分析（TGA）

使用TGA-50热重分析仪在30-700°C温度范围（升温速率10°C/min，氮气流速20 ml/min）进行测试。样品用量为6-11mg，对比原始与脱脂剑麻纤维的热分解行为。

扫描电子显微镜（SEM）观察

采用ZEISS EVO18扫描电镜观察不同化学处理下纤维表面的形貌变化，重点关注纤维断裂、拔出及破碎特征。

结论

碱处理结合蒸汽爆破技术可有效优化喜马拉雅剑麻纤维的界面特性、纤维素组分及热稳定性，为其在环保复合材料中的应用提供实验支撑。