天然剑麻纤维复合材料在水资源丰富的环境中的性能表现：热带基础设施的可持续解决方案

《Hybrid Advances》：Performance of Natural Abaca Fiber Composites in Water-Rich Environments: A Sustainable Solution for Tropical Infrastructure

abaca纤维复合材料在不同纤维取向下的吸水性能及力学性能研究表明，水浸渍显著降低其拉伸和弯曲强度，纤维取向影响吸水速率和厚度膨胀程度，随机取向下降最严重，而单向取向在长期浸水后仍保留较高强度，SEM显示纤维-基体界面脱粘，XRD和EDX分析表明结晶度降低且主要成分为碳和氧。

　　水是一种常见的自然环境因素，它对各种材料的性能有着深远的影响。尤其是在湿度较高的地区，如热带地区，自然纤维增强复合材料的使用面临着严峻的挑战。这类材料虽然因其可降解性、低成本、轻质以及高比强度等特性而受到重视，但其吸水性可能会导致结构性能的下降。因此，研究水对自然纤维复合材料性能的影响，特别是不同纤维取向对吸水性和机械性能的影响，对于开发适用于高湿度环境的可持续材料至关重要。

在本研究中，我们探讨了香蕉纤维增强复合材料在不同纤维取向（织造、单向和随机）下的水吸收和机械性能变化。纤维取向是指纤维在复合材料中的排列方式，它不仅影响材料的外观和制造过程，还显著影响其物理和机械性能。通过将纤维以不同方式排列，可以改变材料的吸水能力和结构稳定性。例如，织造纤维取向的材料在水浸过程中表现出较高的厚度膨胀，而单向纤维取向的材料则显示出最高的水吸收率。这些差异表明，纤维在复合材料中的分布方式直接影响其对水分的反应，进而影响其整体性能。

为了评估这些性能变化，实验采用了多种测试方法，包括水吸收测试、厚度膨胀测试、密度测试、拉伸测试、弯曲测试、扫描电子显微镜（SEM）分析以及X射线衍射（XRD）和能量色散X射线光谱（EDX）分析。水吸收测试的结果显示，所有纤维取向的材料在336小时（即两周）后达到饱和状态。然而，织造纤维取向在水浸初期吸收水分的速度更快，这是因为纤维端部暴露于所有方向，使得水分更容易渗透。相反，单向纤维取向由于纤维端部仅暴露于两个侧面，因此其水吸收率最终高于其他两种取向。随机纤维取向由于纤维长度较短，限制了水分的深入渗透，因此其水吸收率最低。

厚度膨胀测试的结果进一步支持了上述观点。所有纤维取向的材料在水浸过程中都表现出厚度增加，其中织造纤维取向的材料显示出最高的厚度膨胀，而单向纤维取向的材料则显示出最小的厚度变化。这表明，纤维在材料中的分布方式对厚度变化有重要影响。随机纤维取向的材料厚度变化介于两者之间，显示出比单向纤维取向更高的膨胀率，但低于织造纤维取向。这些数据表明，纤维的排列方式在决定材料的尺寸稳定性方面起着关键作用。

在机械性能方面，拉伸和弯曲测试的结果显示出显著的变化。水浸导致所有取向的材料拉伸强度和弹性模量显著下降，而应变则增加。织造纤维取向的材料在水浸一周和两周后，其拉伸强度分别下降了50.37%和60.41%，而单向纤维取向的材料则分别下降了52.49%和52.76%。随机纤维取向的材料表现出最大的下降，分别下降了72.97%和79.14%。这种机械性能的下降主要归因于水分子渗透到纤维与基体之间的界面，导致纤维与基体之间的结合力减弱，从而降低了材料的整体承载能力。SEM分析的结果也验证了这一现象，显示了水浸后纤维与基体之间的脱粘和纤维拔出，表明水分的渗透对材料的内部结构产生了负面影响。

弯曲测试的结果与拉伸测试类似，所有取向的材料在水浸后都表现出弯曲强度和弯曲模量的下降，而弯曲应变则显著增加。织造纤维取向的材料在水浸一周和两周后，其弯曲强度分别下降了77.10%和79.89%，而单向纤维取向的材料则分别下降了76.23%和71.32%。随机纤维取向的材料弯曲强度的下降幅度相对较小，分别为60.96%和67.19%。这种趋势表明，纤维取向对材料的弯曲性能有重要影响，其中织造纤维取向的材料在水浸后表现出最大的弯曲应变，而单向纤维取向的材料则显示出更高的弯曲模量。这些变化进一步证明了纤维排列方式在决定材料的机械性能方面的重要性。

XRD分析的结果显示，水浸后香蕉纤维复合材料的结晶度指数（CI）下降。CI的下降表明水分的渗透改变了纤维的晶体结构，从而影响了其物理和机械性能。尽管水浸并未改变材料的主元素组成，但纤维的结晶度变化可能与纤维内部结构的改变有关。这种变化可能影响材料的强度和韧性，从而对整体性能产生影响。

EDX分析的结果表明，香蕉纤维复合材料的主要元素是碳（C）和氧（O）。这些元素的存在与纤维的化学组成有关，特别是在经过碱处理后，纤维表面的粗糙度和化学成分发生了变化。这些变化可能影响纤维与基体之间的结合力，进而影响材料的机械性能。

综合以上分析，香蕉纤维复合材料的纤维取向对其吸水性和机械性能有显著影响。织造纤维取向的材料虽然在水浸初期吸收水分较快，但其厚度膨胀最大，表明其结构在水分作用下更容易变形。单向纤维取向的材料在水浸后表现出较高的水吸收率，但其机械性能相对稳定，尤其是在较长的水浸时间后。随机纤维取向的材料则表现出较低的水吸收率，但其机械性能下降最明显，这可能是由于纤维排列不规则导致的应力传递效率低下。

因此，纤维取向的选择在设计适用于高湿度环境的香蕉纤维复合材料时至关重要。优化纤维排列方式可以提高材料的耐水性和机械稳定性，使其在潮湿环境中具有更好的应用前景。这些发现不仅有助于理解香蕉纤维复合材料的性能变化机制，还为开发更耐用的自然纤维复合材料提供了重要的理论依据和实践指导。