甘蔗渣纤维的表面热处理及其对淀粉/聚（乙烯醇）复合材料力学性能的影响

《Journal of Polymer Materials》：Bagasse Fibers Surface Heat Treatment and Its Effect on Mechanical Properties of Starch/Poly (Vinyl Alcohol) Composites

sugarcane bagasse (SCB)纤维经热处理后显著提升淀粉/PVA复合材料的力学性能，其中200°C处理时拉伸强度达15.13MPa，弯曲强度19.37MPa，冲击强度7.28J/m，且湿度暴露后性能衰减最小。热处理通过降解表面杂质、氧化引入活性基团及增强结晶度（最高达91.73%）改善纤维表面化学和形态，从而强化界面结合。

　　本研究聚焦于一种天然纤维——甘蔗渣（Sugarcane Bagasse, SCB）在生物基复合材料中的应用潜力。作为一种可再生资源，SCB因其丰富的纤维素、半纤维素、木质素、灰分和蜡质成分，被认为是合成材料的理想替代品。然而，SCB纤维的高吸湿性以及与疏水性聚合物基体之间的界面粘附性不足，严重限制了其在复合材料中的机械性能表现。传统上，人们通过化学处理来改善纤维表面的化学性质，例如引入亲水基团或形成新的官能团以增强纤维与基体的相互作用。但这些方法往往需要高能耗或使用有害化学品，限制了其可持续性和大规模应用的可能性。因此，本研究探索了一种仅依靠热处理的绿色策略，旨在通过改变SCB纤维的表面特性，提高其在淀粉/聚乙烯醇（PVA）复合材料中的增强效果。

### 热处理对SCB纤维的影响

热处理作为一种非化学的表面改性手段，能够有效去除纤维表面的自由水、提取物、蜡质和油脂等低分子量的非纤维素成分，从而降低纤维的亲水性。此外，热处理还能通过氧化反应促进纤维素和半纤维素的降解，生成新的羟基和羰基官能团。这些官能团的形成不仅增强了纤维与基体之间的化学相互作用，还可能改善纤维的结晶度，进而提升复合材料的整体性能。通过控制热处理的温度和时间，可以实现对纤维表面化学结构和物理形态的精确调控。

研究发现，热处理在180°C至220°C范围内对SCB纤维的结构和性能产生显著影响。在180°C下，纤维表面的羟基和羰基吸收峰强度明显下降，表明部分亲水性基团被去除。随着温度升至200°C，纤维表面的羟基和羰基含量有所增加，这是由于半纤维素的降解和氧化反应，以及木质素与降解产物之间的反应所导致。在220°C时，纤维的降解反应更加剧烈，导致纤维表面出现裂纹和剥落现象，这可能是因为纤维素和木质素的进一步分解，从而破坏了纤维的结构完整性。

### 表面化学分析

为了深入理解热处理对SCB纤维表面化学性质的影响，研究采用了傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）等技术。FTIR分析显示，热处理后纤维的表面化学组成发生了明显变化，特别是在羟基和羰基的分布上。而XPS则提供了更详细的表面元素组成信息，揭示了纤维表面碳氧键合状态的变化。例如，C1s谱图显示，经过热处理的纤维中，C2型碳（C–O）的含量显著减少，这表明纤维素和半纤维素的降解过程。与此同时，C1型碳（C–C）和C3型碳（O–C–O或C=O）的含量有所增加，进一步支持了纤维表面化学结构的改变。

在O1s谱图中，O2/C1比值的增加反映了纤维表面氧含量的变化，这可能与纤维素和半纤维素的氧化降解有关。这些结果表明，热处理不仅能够去除纤维表面的非纤维素成分，还能通过氧化反应生成新的化学基团，从而改善纤维与基体之间的界面粘附性。与化学处理相比，热处理方法具有更低的能耗和更环保的优势，因为它不需要使用化学试剂或复杂的反应过程。

### 表面形貌分析

扫描电子显微镜（SEM）图像进一步验证了热处理对SCB纤维表面形貌的影响。未经处理的纤维表面较为光滑，但存在一些杂质，这些杂质可能影响纤维与基体之间的粘附性。而经过200°C热处理的纤维表面则显示出更多的孔隙和断裂的细胞壁结构，这表明纤维表面变得更加粗糙，有利于提高纤维与基体之间的接触面积和粘附强度。相比之下，220°C热处理的纤维表面出现了明显的裂纹和剥落现象，这表明过高的温度会对纤维结构造成损害，从而降低其在复合材料中的增强效果。

在复合材料的断裂表面观察中，SEM图像显示，200°C热处理的纤维与淀粉/PVA基体之间具有较强的界面粘附性，纤维几乎完全嵌入基体中，难以被分辨。这一现象表明，热处理显著增强了纤维与基体之间的相互作用，从而提升了复合材料的机械性能。然而，当温度超过200°C时，纤维的界面粘附性减弱，这可能是因为纤维表面的氧化和降解导致了其化学性质的改变，进而影响了与基体的结合能力。

### 晶体结构变化

X射线衍射（XRD）分析揭示了热处理对SCB纤维晶体结构的影响。所有样品的XRD图谱均显示出两个主要的衍射峰，分别位于2θ≈18°和22°，对应于纤维素的（101）和（102）晶面。这些峰的强度变化反映了纤维的结晶度变化。结果显示，经过200°C热处理的纤维结晶度最高，达到91.73%，而未经处理的纤维结晶度为75.15%。这一增加可以归因于半纤维素的降解和非晶态成分的去除，从而提高了纤维素的相对比例。

然而，当热处理温度超过200°C时，纤维的结晶度开始下降。这可能是由于纤维素和木质素的进一步分解，导致晶体结构的不规则化。因此，热处理温度的选择对纤维的晶体结构和机械性能具有重要影响。200°C被认为是最佳的处理温度，因为它能够在不破坏纤维结构的前提下，最大程度地提高其结晶度和界面粘附性。

### 机械性能评估

机械性能是衡量复合材料性能的关键指标之一。本研究通过拉伸、弯曲和冲击测试对SCB纤维增强的淀粉/PVA复合材料进行了全面评估。结果显示，经过200°C热处理的纤维在拉伸性能方面表现出显著提升，其拉伸强度和模量分别达到15.13 MPa和677.3 MPa，比未处理纤维复合材料提高了97%。这表明热处理显著增强了纤维与基体之间的界面粘附性，从而提高了复合材料的机械性能。

在弯曲性能测试中，200°C热处理的纤维复合材料表现出最高的弯曲强度和模量，分别为19.37 MPa和283.7 MPa，比未处理样品提高了36.81%。这进一步支持了热处理对纤维与基体之间界面性能的改善作用。冲击性能方面，200°C热处理的纤维复合材料显示出最佳的抗冲击能力，其冲击强度达到7.28 J/m，比未处理样品提高了81.46%。这一提升可以归因于纤维表面的化学改性和界面粘附性的增强，使得应力能够更有效地在纤维和基体之间传递。

### 湿度对复合材料性能的影响

湿度是影响自然纤维复合材料性能的重要因素之一。研究表明，未经处理的SCB纤维复合材料在高湿度条件下表现出较高的吸湿性，最大吸湿率达到96.8%。这种高吸湿性会导致纤维与基体之间的界面粘附性减弱，进而影响复合材料的机械性能。相比之下，经过热处理的纤维复合材料吸湿性明显降低，其中220°C热处理的样品吸湿率最低，仅为88.5%。这一结果表明，热处理能够有效减少纤维的吸湿性，从而提高其在潮湿环境下的稳定性。

为了进一步评估湿度对复合材料性能的影响，研究将样品在60%相对湿度条件下养护30天。结果显示，经过220°C热处理的纤维复合材料在拉伸、弯曲和冲击性能方面表现出最小的性能下降，分别仅为5.8%、4.3%和27.42%。这一趋势表明，热处理能够显著提高纤维复合材料的抗湿性，使其在潮湿环境中仍能保持较高的机械性能。这为SCB纤维在潮湿环境下的应用提供了理论支持。

### 研究结论

综上所述，本研究证明了热处理对SCB纤维表面特性及复合材料性能的显著影响。通过热处理，SCB纤维能够去除表面的非纤维素成分，生成新的化学基团，提高其与淀粉/PVA基体的界面粘附性。此外，热处理还能够改善纤维的结晶度，从而增强其机械性能。其中，200°C被认为是最佳的热处理温度，因为它能够在不破坏纤维结构的前提下，实现最佳的性能提升。

本研究为开发一种高效、环保的SCB纤维表面改性方法提供了新的思路。与传统的化学处理相比，热处理方法具有更低的能耗和更简单的操作流程，因此更适用于大规模生产和可持续发展需求。未来的研究可以进一步探索热处理与其他表面改性技术的结合，以实现更优的复合材料性能。此外，还可以研究不同热处理条件对纤维复合材料性能的具体影响，为实际应用提供更全面的指导。