优化垄沟高度以增强油料作物轮作系统中的土壤镉修复效果

《Industrial Crops and Products》：Optimizing ridge–furrow height to enhance soil cadmium remediation in oilseed crop rotation systems

本研究通过三步环保表面处理（脱脂、乙酰化、碱处理）改善亚麻纤维与环氧亚麻油（ELO）基体的界面结合，制备了高性能全生物基复合材料。实验表明，处理后的纤维复合材料压缩强度达69 MPa，界面剪切强度18 MPa，玻璃化转变温度82°C，24小时吸水率仅2.5%，显著优于未处理样品。密度1.1 g/cm3，硬度87 Shore D，其性能接近传统碳纤维复合材料，同时具有更低的环境影响和更高的可持续性。

　　在当前全球对可持续发展的高度重视下，科研人员正致力于开发环保型材料，以减少对化石资源的依赖并降低工业活动对环境的影响。本文介绍了一项研究，探讨了如何利用天然纤维和生物基环氧树脂制造高性能的复合材料。通过优化纤维表面处理工艺，研究团队成功提高了纤维与树脂基体之间的相容性，从而显著增强了材料的机械性能、热稳定性和抗水性。这些成果不仅体现了绿色化学在材料科学中的应用潜力，也为工业界提供了更具可持续性的替代方案。

该研究使用了亚麻纤维作为天然增强材料，并以环氧化亚麻籽油（ELO）作为生物基环氧树脂基体。ELO是一种来源于植物的可再生资源，其在生产过程中相较于传统石油基环氧树脂，能有效减少温室气体排放和毒性。同时，亚麻纤维作为天然材料，具有轻质、高强度和良好的生物降解性等优点，使其成为替代传统合成纤维的理想选择。然而，天然纤维通常存在较高的吸湿性，这会降低其在复合材料中的应用效果。为此，研究团队设计了一种三步环保处理流程，旨在改善纤维的表面特性，增强其与ELO基体的结合力，从而提升材料的整体性能。

实验结果显示，经过处理的亚麻纤维复合材料在多个方面表现出优异的性能。例如，其压缩强度达到了约69 MPa，是未处理纤维复合材料（约32 MPa）的两倍。同时，其层间剪切强度（ILSS）也显著提高，从6 MPa提升至18 MPa。这些数据表明，经过表面处理的纤维能够更好地与基体结合，实现更有效的应力传递和力学性能增强。此外，材料的玻璃化转变温度（Tg）为82 °C，显示出良好的热稳定性。在水吸收测试中，处理后的材料仅在24小时内吸收2.5%的水分，远低于未处理纤维的9.1%，这表明其在潮湿环境中表现出更强的抗水性。

为了验证这些性能提升，研究团队采用了多种分析手段，包括动态力学分析（DMA）、热重分析（TGA）、扫描电子显微镜（SEM）和接触角测量等。DMA结果显示，处理后的材料在玻璃态区域表现出更高的储存模量（E' ≈ 3.6 GPa），而在橡胶态区域也显示出更强的模量保持能力。TGA分析进一步表明，处理后的材料在热分解过程中表现出更高的起始温度（T5% ≈ 246 °C），说明其热稳定性得到了显著改善。SEM图像则直观地展示了处理后的纤维与基体之间形成更紧密的结合，减少了界面处的缺陷，如微裂纹和空隙，从而提升了材料的结构完整性。接触角测试则证实了处理后的材料表面更加疏水，减少了水分渗透的可能性。

这些性能的提升主要归功于纤维表面处理工艺的设计。首先，通过乙醇/水混合物的脱脂处理，去除了纤维表面的蜡质和提取物，暴露出富含纤维素的结构。随后的乙酰化处理进一步降低了纤维的亲水性，通过将羟基替换为乙酰基，减少了水分的吸收。最后，碱处理不仅去除了残留的半纤维素和木质素，还增加了纤维表面的粗糙度，从而改善了纤维与树脂的结合能力。这些处理步骤的结合，使得纤维在与ELO基体结合时能够形成更有效的化学键合和机械嵌合，从而显著提升复合材料的综合性能。

除了机械性能的改善，该研究还关注了材料的环境影响。ELO作为生物基环氧树脂，其生产过程更加环保，且材料的可再生特性有助于减少碳足迹。同时，由于所有材料均来源于同一植物资源，这种单一来源的策略不仅增强了材料的循环性，还减少了对化石资源的依赖，降低了生产过程中的能源消耗和化学废物排放。此外，材料的密度仅为1.1 g/cm3，远低于传统合成纤维复合材料，这使得其在需要轻量化设计的工业应用中更具优势。

该研究还强调了纤维处理对材料性能的直接影响。未经处理的纤维由于表面亲水性和较差的相容性，导致与环氧树脂基体之间的结合力较弱，从而影响了材料的机械性能和热稳定性。相比之下，经过处理的纤维表现出更强的化学活性和物理特性，能够更好地与ELO基体结合，减少界面处的缺陷，提升材料的整体性能。这些发现为未来开发更高效、更环保的复合材料提供了理论依据和技术支持。

从实际应用角度来看，处理后的亚麻纤维复合材料具有广泛的适用前景。其较高的机械强度和热稳定性使其适用于需要承受较高负载和温度的工业领域，如汽车内饰、家具面板和建筑构件。同时，由于其较低的水吸收率，这些材料在潮湿环境中也能保持较好的性能，适用于户外或高湿度条件下的应用。此外，该材料的可再生性和低环境影响，使其成为实现绿色制造和可持续发展的理想选择。

本研究还探讨了如何通过不同的表面处理技术进一步优化生物基复合材料的性能。例如，碱处理和乙酰化等方法已被证明能够有效改善纤维的表面特性，增强其与基体的结合力。未来的研究可以进一步探索这些处理技术的组合效果，以实现更全面的性能提升。此外，还可以考虑引入其他增强材料，如石英纤维或玻璃纤维，以进一步提高材料的热稳定性和机械强度。同时，通过添加阻燃剂或热稳定剂，可以进一步改善材料的耐热性能，扩大其应用范围。

在工业实践中，该研究提供的方法具有重要的现实意义。它不仅为开发可持续材料提供了新的思路，也为传统工业领域寻找环保替代方案提供了技术支持。通过使用可再生资源，制造过程的碳排放和环境污染得以有效控制，同时材料的性能也能够满足工业应用的需求。这种策略符合循环经济和绿色化学的发展方向，有助于推动工业向更加环保、高效的方向转型。

综上所述，本研究展示了通过表面处理技术提升生物基复合材料性能的可能性，同时强调了其在可持续材料开发中的重要价值。随着全球对环保材料需求的不断增长，这类材料有望在未来工业应用中发挥更大的作用，为实现碳中和目标提供有力支持。