香蕉纤维提取及杂化（香蕉、黄麻、碳纤维和玻璃纤维）增强复合材料表征分析

《Results in Materials》：Extraction of banana fiber and characterization analysis of a hybrid (banana, jute, carbon and glass) reinforced composite material.

本研究针对天然纤维复合材料在汽车等工程应用中面临的强度不足和界面结合差等问题，开发了一种无化学机械的环保香蕉纤维提取法，并制备了碳纤维-（黄麻+香蕉）混纺纱-玻璃纤维毡杂化复合材料。结果表明，该材料在纱线方向展现出最优的拉伸强度（289 MPa）和弯曲强度（294 MPa），其轻量化、高强度特性在汽车内饰件等领域具有应用潜力，为可持续复合材料发展提供了新策略。

　　

在全球追求可持续发展的浪潮中，材料科学领域正积极寻找能够替代传统合成纤维的环保方案。天然纤维，如香蕉纤维和黄麻纤维，因其可生物降解、轻质且对健康危害小等特点，受到了广泛关注。然而，天然纤维在实际应用中仍面临一些挑战，例如机械强度相对较低、与树脂基体的界面结合能力弱，以及容易吸湿等特性，限制了其在高端工程领域的应用。与此同时，在汽车、航空航天等行业，对材料性能的要求日益苛刻，不仅需要轻量化以提升能效，还要求具备高的力学性能以满足结构安全需求。因此，如何将天然纤维与高性能合成纤维（如碳纤维、玻璃纤维）有机结合，制备出性能均衡、环境友好的杂化复合材料，成为了一个重要的研究课题。

为了应对上述挑战，发表在《Results in Materials》上的这项研究进行了一项创新性的探索。研究人员专注于从香蕉植物中提取纤维，并在此基础上，设计并制备了多种纤维形式的杂化复合材料，系统评估了它们的力学性能。本研究的一个突出特点是采用了一种简单、环保的香蕉纤维提取方法，整个过程无需使用机器或化学品，旨在最大限度地减少对纤维的损伤，并更好地保留其天然特性。

本研究采用了几个关键的技术方法。首先是香蕉纤维的提取，通过水煮和手工刮取的方式从香蕉叶鞘中获取纤维。其次是纱线和织物的制备，将香蕉纤维与黄麻纤维以50:50的比例通过手工摩擦纺纱制成混纺纱，并进一步手工织成平纹织物。第三是复合材料的制备，采用手糊成型技术，将碳纤维织物、玻璃纤维毡以及不同形式的天然纤维（混合纤维、混纺纱或混纺织物）与环氧树脂（与固化剂以2:1比例混合）逐层铺叠，并在40公斤压力下固化16小时以制备样品。研究队列包括三种不同结构的复合材料样本（S1, S2, S3）。最后，对制备的样品依据ASTM标准进行了拉伸、弯曲和冲击性能测试。

2.5. 拉伸测试

拉伸测试结果显示，三种复合材料的力学性能存在显著差异。样本S2（碳纤维织物-（香蕉+黄麻）混纺纱-玻璃纤维毡）在纱线方向上表现出最高的拉伸强度，达到289兆帕（MPa），其屈服强度为282 MPa。样本S1（碳纤维织物-（香蕉+黄麻）混纺织物-玻璃纤维毡）和S3（碳纤维织物-（香蕉+黄麻）混合纤维-玻璃纤维毡）的拉伸强度分别为229 MPa和223 MPa。与S3相比，S2的拉伸强度提高了29.60%。在断裂伸长率方面，S1为6.47%，S2为5.59%，S3为7.24%。这些结果表明，混纺纱中纤维的单向取向排列更有利于承受拉伸载荷，提供了更有效的应力传递路径。

2.6. 弯曲测试

弯曲测试用于评估材料在弯曲载荷下的性能。结果同样表明S2样本具有最优异的性能，其弯曲强度为294 MPa，弯曲模量高达49.52吉帕（GPa）。S1和S3的弯曲强度分别为247 MPa和234 MPa，弯曲模量分别为36.17 GPa和31.32 GPa。S2的弯曲强度相较于S1和S3分别提升了19.03%和25.64%。分析认为，单向排列的纱线结构能够更有效地抵抗弯曲变形，而S1中双向的机织物结构虽然有助于载荷分布，但在特定方向上的刚度提升不如单向排列显著。

2.7. 冲击测试

冲击测试衡量材料吸收能量和抵抗冲击的能力。有趣的是，结果与拉伸和弯曲测试不同。样本S1表现出最高的冲击强度，为22焦耳（J），S3为19 J，而性能最优的S2的冲击强度最低，为15 J。这意味着S1的冲击强度比S2高出46.68%。这可能是因为S1中双向织物结构或S3中随机取向的纤维能够通过多种机制（如纤维拔脱、基体开裂）耗散冲击能量，而S2中高度取向的纤维结构在受到垂直于纤维方向的冲击时，更容易发生脆性断裂，从而吸收的能量较少。

3. 结果与讨论

综合以上实验结果，可以得出以下结论：含有单向（香蕉+黄麻）混纺纱的S2复合材料在拉伸和弯曲性能上表现最佳，这归因于纤维的高度取向排列和碳纤维/玻璃纤维外层提供的增强作用，实现了高效的应力传递。然而，这种结构在应对冲击载荷时表现出一定的各向异性，导致冲击韧性较低。相比之下，含有双向机织物（S1）或随机混合纤维（S3）的复合材料在冲击性能上更具优势，展现了更好的韧性。这表明，材料的性能与其内部纤维的排列形式和结构密切相关。研究者也指出，天然纤维表面的微孔结构有助于与环氧树脂形成良好的机械互锁，增强了界面结合。

4. 结论

本研究成功开发了一种环保的香蕉纤维提取方法，并制备了多种杂化复合材料。核心结论是：通过改变天然纤维的存在形式（如制成单向纱线），可以显著调控复合材料的最终性能。具体而言，样本S2 [碳纤维织物 - （香蕉+黄麻）混纺纱 - 玻璃纤维毡] 在纱线方向上展现了最优的拉伸强度（289 MPa）和弯曲强度（294 MPa）。而样本S1 [碳纤维织物 - （香蕉+黄麻）混纺织物 - 玻璃纤维毡] 则具有最佳的冲击强度（22 J）。这种性能的可设计性使得该类杂化复合材料能够根据不同的应用场景进行定制。例如，S2适用于对刚度和强度要求高的汽车结构件或内饰板，而S1可能更适合用于需要一定抗冲击性的部件。

这项研究的重要意义在于，它证实了在复合材料中 strategically 结合天然纤维与高性能合成纤维的可行性，能够在保证力学性能的同时，融入可持续性元素，降低材料的环境影响和成本。所开发的环保纤维提取方法也为地方产业提供了低成本的技术选项。尽管存在一些局限性，如未对纤维-树脂界面进行微观表征，以及天然纤维固有的吸湿性和耐热性挑战仍需关注，但这项研究为未来在纳米技术改性、热性能评估以及非结构部件开发等方面的深入探索奠定了坚实的基础，推动了轻量化、高性能可持续复合材料在汽车、航空、船舶等领域的应用进程。