关于环保型碳酸钠和碱处理的小花决明纤维在绿色复合材料中的比较实验分析：揭示其力学、微观结构形态、化学、热学及声学性能

《Journal of Materials Research and Technology》：Comparative Experimental Analysis on an Eco-friendly Sodium carbonate- and Alkali Treated Butea Parviflora Fibers for Green Composites: Unveiling of Mechanical, Microstructural Morphological, Chemical, Thermal, and Acoustical Properties

本研究以Butea parviflora纤维为原料，通过KOH和Na2CO3处理改善其性能，发现KOH处理纤维密度更低（1.34 g/cm3）、结晶度更高（84%），机械强度和热稳定性更优，且在环氧树脂复合材料中表现出优异的声学和力学性能。处理后纤维的热稳定性达230°C以上，但长期耐湿性和大规模加工仍需进一步研究。

　　自然纤维材料因其轻质、可再生性和良好的强度特性，正逐渐成为替代合成纤维的环保选择。Butea parviflora（BP）纤维作为天然纤维的一种，其性能提升和应用潜力是当前研究的热点。本研究通过使用碱性（KOH）和环保型碳酸钠（Na?CO?）对BP纤维进行处理，以提高其性能，并对其物理、化学、机械和热学特性进行了系统分析。研究结果表明，KOH处理后的纤维具有更低的密度和更高的结晶度，这为它们在复合材料中的应用提供了有利条件。同时，纤维表面粗糙度的增加有助于增强与基体材料的粘附性，从而提升复合材料的整体性能。此外，KOH处理后的纤维在拉伸强度和模量方面表现出更优异的性能，而热分析结果显示其在约230°C的温度范围内保持稳定。这些特性使BP纤维在机械和声学性能方面表现出色，具有应用于汽车、建筑和隔音材料的潜力。

研究中，BP纤维的处理过程包括纤维的脱胶和化学处理。首先，从印度泰米尔纳德邦的Kanniyakumari地区采集BP植物的树皮和枝条，通过机械方法分离出纤维。随后，将纤维分别浸泡在0.1M的KOH和Na?CO?溶液中，处理时间分别为50分钟和20分钟，随后进行清洗和干燥。处理后的纤维被用于制备环氧树脂复合材料，采用溶剂铸造法。在制备过程中，纤维的重量百分比设定为10%，以确保复合材料的性能达到最佳状态。通过这种方式，研究人员能够评估不同处理方式对纤维性能的影响，并进一步分析其在复合材料中的表现。

为了评估纤维的物理特性，研究团队对纤维的密度、长径比和线密度进行了测量。KOH处理后的纤维密度为1.34 g/cc，而Na?CO?处理后的纤维密度为1.41 g/cc。KOH处理后的纤维显示出更低的密度，这可能是由于处理过程中去除了非晶态成分，从而减少了纤维的体积。长径比是衡量纤维在复合材料中承载能力的重要参数，KOH处理后的纤维长径比为226.19，而Na?CO?处理后的纤维为203.91。这表明KOH处理后的纤维在结构应用中可能更具优势。此外，线密度（Tex）的降低也有助于减轻复合材料的重量，使其更适用于轻质产品设计。

通过X射线衍射（XRD）分析，研究人员确定了KOH和Na?CO?处理后的纤维的结晶度和晶粒尺寸。KOH处理后的纤维结晶度为84%，而Na?CO?处理后的纤维为71%。这种差异可能与两种处理方式对纤维中非晶态成分的去除程度有关。KOH处理后的纤维结晶度更高，这有助于提升其热稳定性和机械性能。此外，KOH处理后的纤维晶粒尺寸为8 nm，而Na?CO?处理后的纤维为4 nm。更高的结晶度意味着纤维在化学反应和水分吸收方面表现出更强的稳定性，这在复合材料的长期使用中尤为重要。

傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析进一步揭示了纤维表面的化学组成变化。处理后的纤维在不同波数范围内显示出不同的振动模式，反映了纤维中不同官能团的变化。例如，在3450-3350 cm?1范围内的强峰表明纤维中的氢键作用增强，而2923.93和2920.55 cm?1的中等峰则与纤维中纤维素的CH伸缩振动有关。CH?伸缩振动在2850 cm?1附近产生清晰的峰，这表明纤维表面的化学结构发生了显著变化。此外，C=O伸缩振动峰出现在1641和1644 cm?1，这与纤维中半纤维素的乙酰基有关。这些结果表明，不同的处理方式对纤维的化学结构和表面特性有显著影响，从而影响其在复合材料中的表现。

扫描电子显微镜（SEM）图像显示了处理后纤维的表面形态变化。KOH处理后的纤维表面更加粗糙，这有助于增强与基体的粘附性。而Na?CO?处理后的纤维表面则显示出更多的纤维束和微孔，这可能对声学性能产生影响。SEM图像还揭示了纤维在处理过程中可能发生的结构变化，例如微纤维的重新排列和表面裂纹的形成。这些表面特征的变化直接关系到纤维在复合材料中的性能表现，如拉伸强度、热稳定性以及声学吸收能力。

热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DTG）用于研究纤维的热分解行为。结果显示，KOH处理后的纤维在约323°C时达到最大质量损失，而Na?CO?处理后的纤维则在324°C时达到这一温度。这些数据表明两种处理方式对纤维的热稳定性有不同影响，KOH处理后的纤维可能在某些条件下表现更优。热导率的测量进一步支持了纤维在隔热应用中的潜力，KOH处理后的纤维热导率为0.020 W/mK，而Na?CO?处理后的纤维为0.021 W/mK。这些低热导率值使得BP纤维在需要隔热性能的领域具有广泛应用前景。

拉伸强度测试表明，KOH处理后的BP纤维表现出更高的拉伸强度（192.97 MPa），而Na?CO?处理后的纤维为180.50 MPa。这种差异可能与KOH处理对纤维表面的改性有关，例如去除蜡质、油脂和木质素等非晶态成分，从而提高纤维的结晶度和表面粗糙度。这些因素共同作用，使得KOH处理后的纤维在复合材料中表现出更优的机械性能。此外，纤维的微纤维角度（MFA）也被计算出来，KOH处理后的纤维微纤维角度为17.06°±9.21°，而Na?CO?处理后的纤维为19.67°±10.49°。较低的微纤维角度意味着纤维在基体中的取向性更好，有助于提高复合材料的机械强度。

声学吸收测试结果显示，KOH处理后的BP纤维复合材料在4000-5000 Hz频率范围内表现出更高的声学吸收系数（SAC），分别为0.83和0.76。这表明KOH处理后的纤维在声学性能方面更优，可能由于其表面的微孔结构和纤维的分布方式更有利于吸收声波。此外，纤维的密度和孔隙率也影响其声学吸收能力，低密度和高孔隙率有助于声波的传播和吸收，从而提升复合材料的隔音性能。

在机械性能测试中，KOH处理后的BP纤维复合材料表现出更高的拉伸强度（38.98 MPa）和弯曲强度（94.63 MPa），而Na?CO?处理后的纤维复合材料的拉伸强度为35.72 MPa，弯曲强度为57.82 MPa。这些结果表明，KOH处理后的纤维在机械性能方面具有明显优势，这可能与处理过程中纤维表面的改性有关。同时，冲击强度测试也显示，KOH处理后的复合材料冲击强度为3.91 KJ/m2，高于Na?CO?处理后的3.91 KJ/m2和纯环氧树脂的3.06 KJ/m2。这种提升可能归因于KOH处理后纤维与基体之间更强的界面结合力，从而减少裂纹的生成和传播。

在比较研究中，BP纤维复合材料的性能与传统的玻璃纤维增强复合材料（GFRP）进行了对比。研究发现，BP纤维复合材料在常温下的拉伸和弯曲强度优于GFRP，但其在高温或潮湿环境中可能表现出较差的稳定性。因此，BP纤维复合材料更适合在轻量化和可持续性要求较高的领域使用，如汽车和建筑行业。此外，BP纤维复合材料在声学性能方面也表现出色，其声学吸收能力与其他天然纤维复合材料相当，这为在噪声控制领域的应用提供了可能。

尽管BP纤维复合材料在多个方面展现出优异的性能，但研究仍存在一些不足。例如，长期耐久性、抗湿性和大规模加工工艺仍然是需要进一步研究的方向。未来的研究可以集中在优化处理方法，以提高纤维的耐久性和抗湿性，同时探索新的加工技术，以提高其在工业应用中的可行性。此外，将BP纤维与其他天然纤维或生物基树脂进行复合，可能进一步提升其综合性能，拓宽其应用范围。

本研究还与其他相关研究进行了比较，如对“亚麻/甘蔗纤维”和“椰子纤维”复合材料的研究，这些研究也强调了化学处理对纤维性能的提升作用。通过对比分析，BP纤维的处理方法被证明在提升机械性能和声学性能方面具有显著效果。同时，这些研究也指出了天然纤维复合材料在实际应用中面临的挑战，如对环境条件的适应性问题，这需要进一步的实验和理论研究来解决。

总的来说，BP纤维通过KOH和Na?CO?处理后，在密度、结晶度、表面粗糙度、拉伸强度和声学吸收能力等方面表现出显著提升。这些特性使得BP纤维成为一种具有广泛应用前景的可持续材料。然而，为了进一步推广其在工业领域的应用，仍需克服长期耐久性、抗湿性和大规模加工等挑战。未来的研究应重点关注这些方面，以确保BP纤维复合材料在各种环境下都能保持优异的性能。同时，探索新的处理方法和复合策略，将有助于提高其综合性能，满足不同工程应用的需求。