利用油棕树干制成的创新生物基复合材料：通过优化添加剂处理提升其机械性能和阻燃性能

《Journal of Renewable Materials》：Innovative Biobased Composites from Oil Palm Trunk: Enhancing Mechanical and Flame-Retardant Properties through Optimized Additive Treatments

本研究利用油棕树干开发了一种高性能阻燃复合板材，采用氯化钠作为低成本阻燃剂，聚乙烯醇为粘合剂，碳酸钙为添加剂。通过优化10%氯化钠处理，显著提升了弯曲强度（从5.95 MPa增至12.61 MPa）、内部结合强度（2.05 MPa增至4.18 MPa），降低厚度膨胀（43.8%）和水吸收（51.3%），并达到UL-94 V-0级和LOI 33.57%。该工艺环保、经济，为生物质材料应用提供了新思路。

　　本研究聚焦于一种由低成本且可持续的生物质原料——油棕树干（OPT）制成的高性能阻燃复合材料的开发。通过使用氯化钠（NaCl）作为阻燃剂、聚乙烯醇（PVA）作为粘合剂以及碳酸钙（CaCO?）作为添加剂，研究团队旨在解决OPT固有的易燃性问题，同时提升其机械性能、尺寸稳定性和阻燃能力。这一研究不仅关注材料的性能优化，还强调了环保和经济性，为工业应用提供了一种更加绿色、可持续的解决方案。

油棕树干作为一种在东南亚地区广泛种植的生物质资源，具有较高的机械强度，但其高纤维素和木质素含量也导致其易燃性较高。这限制了其在阻燃材料领域的应用潜力。然而，传统阻燃技术多依赖于合成化学品，如卤素化合物或磷系阻燃剂，这些材料虽然在阻燃效果上表现优异，却伴随着严重的环境和健康风险。例如，卤素阻燃剂在燃烧过程中可能释放出有毒气体，而磷系阻燃剂则通常需要复杂的合成过程和较高的生产成本。因此，近年来越来越多的研究者开始关注无机和生物基材料作为阻燃剂的替代方案，以减少对生态环境的负面影响。

氯化钠作为一种无害、低成本且储量丰富的无机盐，被广泛认为是具有潜力的阻燃剂。它主要通过促进炭化形成和抑制易燃挥发物的释放来提高阻燃性能。此外，NaCl的简单处理工艺、非毒性特性以及与生物基粘合剂PVA的良好相容性，使其成为一种更加环保的选择。特别是在室内应用或消费者产品中，其在热降解过程中不产生有害气体的特性更为重要。因此，本研究假设通过将NaCl处理应用于油棕树干复合材料，并结合PVA和CaCO?，可以实现对机械性能和阻燃性能的显著提升，同时保持材料的环境友好性。

实验中，研究团队选择了10%、20%和30%三种NaCl浓度，以探究其对复合材料性能的影响。初步优化实验和文献表明，盐含量对复合材料性能具有非线性影响，因此设定这些浓度进行测试。研究结果显示，10%的NaCl处理能够显著提升复合材料的弯曲强度（MOR）和内部结合强度（IB）。具体而言，MOR从5.95 MPa提升至12.61 MPa，而IB则从2.05 MPa增加到4.18 MPa。这些数据表明，10%的NaCl处理在增强复合材料结构强度方面表现出最佳效果。然而，当NaCl浓度超过10%时，MOR和IB均出现下降趋势，表明过量的NaCl可能破坏基质与纤维之间的相互作用，或导致材料内部形成气泡，从而影响其整体性能。这一结果强调了在材料设计中，优化添加剂浓度的重要性。

在尺寸稳定性方面，10%的NaCl处理同样表现出显著优势。厚度膨胀（TS）和吸水率（WA）分别减少了43.8%和51.3%。这一改善归因于NaCl对复合材料内部结构和表面化学性质的调控作用。通过降低材料的亲水性，NaCl减少了水分的渗透，从而提升了材料的尺寸稳定性。同时，PVA作为粘合剂，通过其良好的成膜性能，进一步增强了材料的防潮能力。CaCO?的加入则通过降低材料的孔隙率，提高了其结构的紧密性，从而限制了水分进入材料的路径。这些材料的协同作用不仅提升了机械性能，还增强了材料的耐水性和尺寸稳定性。

在阻燃性能方面，10%的NaCl处理使复合材料达到了UL-94 V-0等级，表明其在火焰作用下能够迅速自熄，且不产生燃烧滴落物。这一等级是UL-94标准中最高的阻燃等级，意味着该材料在燃烧过程中表现出极强的阻燃能力。同时，极限氧指数（LOI）测试结果也显示，10%的NaCl处理使LOI值从25.8%提升至33.57%，表明材料在燃烧时所需氧气浓度显著增加，从而提升了其阻燃性能。然而，当NaCl浓度超过10%时，LOI值略有下降，说明过量添加可能对材料的阻燃性能产生负面影响。这一趋势与之前的研究结果一致，表明阻燃剂的添加量存在一个最佳阈值，超过该阈值后材料性能可能受损。

为了进一步验证这些性能变化的机制，研究团队采用了热重分析（TGA）和扫描电子显微镜（SEM）等技术手段。TGA结果显示，随着NaCl含量的增加，复合材料的热稳定性显著提高。未处理的样品在较低温度下即出现快速质量损失，表明其热降解过程较早开始。相比之下，10% NaCl处理的样品表现出更缓慢的热降解过程，且在高温下具有更高的残余质量，说明其在热稳定性方面得到了显著改善。20%和30% NaCl处理的样品则进一步提升了热稳定性，表明其热降解行为得到了更有效的控制。这些结果与之前的研究相吻合，说明NaCl在促进炭化形成和抑制挥发性物质的释放方面具有重要作用。

SEM图像则提供了材料微观结构变化的直观证据。10% NaCl处理的样品表面更加致密和平滑，显示出减少的表面孔隙和更均匀的结构。相比之下，未处理样品表面较为粗糙，存在较多的空隙和不规则结构，这可能与其较低的机械性能和尺寸稳定性有关。此外，NaCl处理后的样品在微观层面上表现出更强的纤维与基质之间的结合力，这进一步解释了其在机械性能和阻燃性能上的提升。这些图像与FTIR分析结果相互印证，表明NaCl的添加不仅改变了材料的化学结构，还通过物理机制提升了其整体性能。

FTIR分析则揭示了NaCl对复合材料化学结构的影响。所有样品均显示出典型的木质素和纤维素吸收峰，如3300 cm?1处的O–H伸缩振动、2900 cm?1处的C–H伸缩振动，以及1730 cm?1和1600 cm?1处的C=O伸缩振动和芳香族骨架振动。值得注意的是，20% NaCl处理的样品在指纹区（400–1500 cm?1）显示出更高的透射率，特别是在500 cm?1和1500 cm?1处，这表明NaCl可能通过诱导聚酯网络的部分结晶化，增强了材料的刚性和热响应能力。这些化学变化进一步支持了NaCl在提升阻燃性能和热稳定性方面的有效性。

统计分析结果也证实了NaCl处理对复合材料性能的显著影响。通过单因素完全随机设计，研究团队发现不同NaCl浓度对TS、WA、MOR、IB和LOI等指标均产生了显著差异（p值均小于0.001）。这表明NaCl的添加量是影响材料性能的关键因素。此外，MOR和IB的显著变化表明，NaCl的浓度不仅影响材料的阻燃性能，还对其机械性能有重要影响。这些结果强调了在材料设计过程中，精确控制添加剂浓度的重要性。

尽管本研究在提升油棕树干复合材料的性能方面取得了显著成果，但其在长期环境稳定性方面的表现仍需进一步验证。在实际应用中，材料可能面临周期性湿度、紫外线辐射和热循环等环境因素的影响，这些因素可能导致材料结构退化和阻燃性能下降。因此，未来的实验应包括加速老化测试，如湿度吸收-脱附、热老化和紫外线暴露等，以评估材料在不同环境条件下的耐久性。此外，工业规模生产的可行性也需进一步研究。实验室中的NaCl浸泡处理虽然有效，但在大规模生产中可能面临干燥时间过长、水分消耗大和盐分布不均等问题。因此，未来的研究应关注工艺的优化，以提高生产效率和材料的均匀性。

本研究的局限性主要体现在对材料长期性能的评估不足。目前的实验仅关注了初始性能，而未对材料在实际使用环境中的耐久性进行系统研究。此外，PVA的使用虽然提升了材料的粘合性能和环境兼容性，但其较高的成本可能限制其在大规模生产中的应用。因此，未来的研究应探索更经济的粘合剂替代方案，以降低生产成本。同时，CaCO?的均匀分散和基质-纤维之间的良好结合也需要进一步优化，以确保材料在大面积板材中的稳定性。

总体而言，本研究为油棕树干复合材料的开发提供了一种新的思路。通过合理选择NaCl、PVA和CaCO?的组合，研究团队成功提升了材料的机械性能、尺寸稳定性和阻燃能力，同时降低了对环境的影响。这些成果不仅有助于推动可持续材料的发展，也为工业界提供了更环保的替代方案。随着全球对环保材料需求的不断增长，此类研究具有重要的现实意义。未来，研究者应继续探索材料的长期性能和工业化应用潜力，以确保其在实际应用中的可靠性和可持续性。