可持续摩擦学材料：可生物降解的芦荟天然纤维与环氧复合材料的结合

《Journal of Natural Fibers》：Sustainable Tribological Materials: Biodegradable Aloe Vera Natural Fiber with Epoxy Composites

研究采用销盘式摩擦仪探究芦荟纤维增强环氧可生物降解复合材料的摩擦学行为，通过Box-Behnken设计优化参数组合，发现施加载荷（AL）、滑动速度（SS）和滑动距离（SD）显著影响磨损损失（WL）和摩擦系数（CoF）。最佳条件为AL=10.6445 N，SS=1.83267 m/s，SD=1706.68 m，此时WL和CoF分别降至0.299187 mm3/min和0.486431。热软化效应和界面脱粘是磨损主因，验证实验显示模型预测准确。未来需拓展混合增强、优化方法和全生命周期评估。

　　### 摩擦学行为分析与优化

本研究围绕芦荟纤维增强型环氧生物降解复合材料的摩擦学特性展开，旨在探讨其在不同滑动距离（SD）、滑动速度（SS）和施加载荷（AL）条件下的磨损损失（WL）和摩擦系数（CoF）。研究采用Box-Behnken设计（BBD）对实验进行系统规划，并通过期望分析（desirability analysis）实现对实验条件的优化。研究发现，随着AL的增加，材料的磨损损失显著上升，这主要是由于施加的载荷增大导致接触面积增加，从而加剧了材料的去除过程。此外，SS对摩擦热的产生以及接触界面的动态响应具有重要影响，较高的SS会促进摩擦热的积累，进而导致表面软化和磨损的增加。SD的增加则使材料暴露在更多的磨损循环中，加剧了表面退化和磨损损失。

期望分析的结果表明，在AL为10.6445 N、SS为1.83267 m/s、SD为1706.68 m的条件下，能够实现最佳的摩擦学性能，即最小的磨损损失和摩擦系数。验证实验的结果也显示，这些条件下的预测值与实际值高度吻合，说明模型的预测能力良好。研究还指出，未来的探索方向可能包括与其他天然纤维的混合增强、采用混合优化方法、评估工艺能力，以及对这些材料在不同应用场景下的经济性和生命周期进行分析。

### 自然纤维与生物填料的聚合物复合材料

自然纤维和生物填料聚合物复合材料在环境可持续性方面具有重要作用，能够有效减少碳足迹并推动环保材料的使用。这些复合材料由可再生资源制成，如植物纤维（芦荟纤维、 sisal纤维、椰纤维、竹纤维、香蕉纤维、亚麻纤维、黄麻纤维、大麻纤维）和农业废弃物填料（如甘蔗渣、稻壳、椰壳粉）以及其他废弃物（如蛋壳、贝壳、鱼鳞、螃蟹壳）。相比合成纤维和石油基填料，这些材料的生产过程对能源的需求较低，且有助于减少环境污染。

自然纤维复合材料（NFCs）具有易于获取、耐腐蚀性强、生产简便且环保等优点。研究表明，芦荟纤维具有较低的密度（1.35 g/cm3）和较高的强度，同时其含有的70%纤维素使其具有良好的延展性和柔韧性。此外，芦荟纤维的低木质素含量（7%）和中等吸湿性（12%）也使其在潮湿环境下比其他纤维（如黄麻或椰纤维）更具抗降解能力。芦荟纤维与聚合物基体之间的良好结合，进一步提升了复合材料的机械性能。

### 材料制备方法

本研究采用手铺层和压缩成型技术制备芦荟纤维增强型环氧复合材料。首先，通过选择成熟的芦荟叶片并对其进行清洗，去除其中的杂质、乳液和多余蜡质。接着，通过脱胶处理去除外层绿色表皮，暴露内部纤维结构。脱胶后的芦荟纤维经过水浸泡7天，利用自然细菌作用进一步分离纤维。清洗后的纤维在干燥环境下储存，以便后续用于复合材料制造。

环氧树脂基体的制备涉及将环氧树脂B-11（3101）与固化剂K-6（5205）按10:1的比例混合，并通过充分搅拌确保混合均匀，避免气泡形成。将芦荟纤维织物铺设在环氧树脂薄膜上，随后将环氧树脂均匀涂覆于纤维表面，确保纤维完全浸润。接着，将第二层纤维织物放置在相同尺寸的模具中，环氧树脂被填充至整个纤维层表面。最终，将模具中的复合材料切割成60x12x12 mm的试样，并通过车床加工成圆柱形销钉，用于后续的摩擦学测试。

### 摩擦学测试方法

摩擦学测试采用销盘式摩擦试验机（Pin On Disc, PoD），其中销钉固定在支架上，与旋转的盘接触。销钉和盘分别代表摩擦副中的两个接触面，其中销钉模拟实际应用中的接触情况，而盘则保持恒定运动。销钉和盘均采用标准尺寸，销钉为?8x50 mm，盘为?55x10 mm，中间设有固定孔，并具有60 HRC的硬度。在测试前，盘表面经过研磨和抛光处理，以消除表面不规则性，确保测试结果的稳定性。测试过程中，销钉受到不同载荷（9.81-29.43 N）、滑动距离（1000-3000 m）和滑动速度（1.44-2.88 m/s）的影响，记录摩擦系数和磨损损失。测试设备的详细设置见图4a。

### 摩擦学机制分析

研究发现，摩擦学行为主要受三种机制影响：粘附磨损、磨粒磨损和热软化。粘附磨损通常发生在光滑表面，而磨粒磨损和疲劳磨损则出现在硬质或不规则表面上。在测试中，随着AL的增加，接触面积增大，导致粘附和磨粒磨损加剧，从而增加磨损损失。例如，在SS=2.16 m/s和SD=2000 m的条件下，AL从9.81 N增加到29.43 N时，磨损损失增加了53.3%，摩擦系数增加了46.6%。这表明，较高的载荷和速度会显著影响摩擦学性能。

SS的增加不仅促进了摩擦热的积累，还影响了接触界面的动态响应。例如，在AL=29.43 N、SS=2.16 m/s、SD=3000 m的条件下，磨损损失达到最高值（0.869 mm3/min），这是由于AL和SD均处于最大值，根据Archard定律，磨损体积与载荷和滑动距离呈正相关。同时，高接触应力会促进纤维与基体之间的脱粘、纤维拔出、微裂纹的形成以及硬质第三体碎屑的生成，这些都会加速材料的去除过程。然而，摩擦系数在该条件下相对较低（0.578），这是由于长时间的滑动促进了转移膜（由环氧树脂和芦荟纤维残渣形成）的积累，该膜降低了界面剪切强度，起到固润滑层的作用。

SD的增加则主要影响材料的累积损伤程度。较长的滑动距离会暴露材料于更多的磨损循环，导致表面退化和磨损损失的增加。例如，在AL=19.62 N、SS=1.44 m/s的条件下，SD从1000 m增加到3000 m时，磨损损失增加了74.6%，摩擦系数增加了27.3%。这是由于表面粗糙度的增加和第三体颗粒的积累，导致磨损机制从粘附磨损向磨粒磨损转变。

### 模型建立与验证

本研究基于响应面法（RSM）的Box-Behnken设计（BBD）建立了磨损损失和摩擦系数的数学模型。通过BBD设计，共规划了17组实验，每组实验使用三个试样进行测试，取平均值用于后续分析。模型的建立考虑了AL、SS和SD之间的相互作用，并通过方程预测了磨损损失和摩擦系数的变化趋势。

模型的验证结果表明，实验数据与预测值之间存在高度一致性。例如，在图11和图12中，磨损损失和摩擦系数的实验值与RSM预测值非常接近，说明模型具有较高的准确性。通过方差分析（ANOVA），进一步验证了模型的有效性，结果显示AL和SD对磨损损失的影响最为显著，而SS对摩擦系数的影响次之。模型的R2值分别为0.9978和0.9975，表明模型能够很好地拟合实验数据。

### 未来研究方向

本研究不仅揭示了芦荟纤维增强型环氧复合材料的摩擦学特性，还指出了其在不同应用场景下的潜在价值。未来的研究可以进一步探索与其他天然纤维的混合增强，以及采用混合优化方法提升材料的综合性能。此外，研究还可以关注材料的工艺能力、经济性和生命周期评估，以确保其在汽车工业、交通运输、建筑结构和生物降解包装等领域的广泛应用。

同时，研究还强调了在材料制备过程中可能存在的环境影响。由于环氧树脂和固化剂等化学物质的非生物降解性和潜在毒性，其使用和处置需谨慎处理，以避免对人类健康和环境造成危害。因此，未来的研究应关注更环保的替代材料和可持续的制造方法，以推动绿色材料的进一步发展。

### 结论

本研究通过系统的摩擦学测试和数学建模，揭示了芦荟纤维增强型环氧复合材料在不同滑动距离、速度和载荷条件下的磨损损失和摩擦系数变化规律。结果表明，AL和SS的增加显著提升了磨损损失，而SD的增加则加剧了材料的累积损伤。期望分析的结果显示，在AL=10.6445 N、SS=1.83267 m/s、SD=1706.68 m的条件下，能够实现最佳的摩擦学性能。此外，实验数据与预测值之间的高度一致性进一步验证了模型的有效性。

芦荟纤维增强型环氧复合材料在汽车内饰部件（如门板、仪表盘和行李箱内衬）的制造中展现出良好的应用潜力，有助于减轻整体重量并提高能源效率。在建筑领域，这种材料可用于非结构部件，如隔断板、天花板板和装饰性层压板，特别是在绿色建筑中具有重要价值。在家具和室内设计行业，该材料可用于制造环保型模块化家具和吸音板。此外，芦荟纤维增强型环氧复合材料还被应用于临时性假肢外壳和骨科支撑结构。

研究还指出，未来的工作可以包括对其他天然纤维（如亚麻纤维、黄麻纤维、大麻纤维、竹纤维和香蕉纤维）的比较研究，以及不同纤维含量和长度/方向的混合增强实验。此外，还需考虑不同表面处理方法（如NaOH、硅烷、乙酰化、等离子体/酶处理）对摩擦学性能的影响，并探索添加固润滑剂（如石墨、六方氮化硼、二硫化钼和聚四氟乙烯）以维持摩擦膜的稳定性。通过将实验设计（DoE/RSM）与机器学习（ML）方法相结合，可以实现对磨损阻力和摩擦系数的多目标优化。为了实现材料的广泛应用，还需进一步研究其可扩展性、组件级摩擦测试、工艺能力、经济性和生命周期评估。