聚乳酸（PLA）基天然纤维增强复合材料的耐久性、机械回收性能及环境影响：反应性添加剂和纤维表面处理的影响

《Industrial Crops and Products》：Durability, mechanical recycling and environmental impacts of poly-lactic acid (PLA) based natural fiber reinforced composites: Effect of reactive agents and fiber surface treatment

可回收性分析显示，硅烷处理结合Joncryl?链延长剂能有效延缓PLA/亚麻和PLA/竹生物复合材料的降解，延长机械回收次数（亚麻基可达3次，竹基2次）。生命周期评估表明纤维处理阶段环境影响最大，但竹基复合材料的环保足迹低于亚麻基。研究证实协同改性可提升界面结合和热稳定性，为循环经济材料开发提供依据。

　　本研究围绕聚乳酸（PLA）与天然纤维（亚麻和竹子）制备的生物复合材料的可回收性展开，重点分析了纤维处理和添加链延长剂对复合材料性能的影响。研究采用多种循环的湿热老化、研磨和注射成型工艺，对生物复合材料进行再加工，并通过生命周期评估（LCA）方法分析其生产过程中的环境影响。实验结果显示，所有经过湿热老化、研磨和再注射处理的生物复合材料都经历了链断裂现象，这导致平均分子量、热稳定性和拉伸性能下降。然而，纤维的硅烷处理以及加入Joncryl?这种反应性链延长剂能够有效缓解这些影响。LCA结果表明，纤维处理是生产过程中最具环境影响的阶段，其次是PLA的生产。尽管PLA/亚麻生物复合材料在回收循环后表现出较差的机械性能，但其环境足迹却比PLA/竹子生物复合材料更小。这种差异源于纤维种植条件和后续加工步骤的不同，包括纤维处理和混炼过程。因此，回收PLA/亚麻生物复合材料超过第三循环或回收PLA/竹子生物复合材料超过第二循环并不推荐。

在现代工业背景下，塑料材料因其高产量和广泛用途，对全球温室气体排放产生了重要影响。同时，塑料废弃物在使用过程中可能产生微塑料污染，这些微塑料会进入地球的各个环境层，包括人类体内。因此，研究人员开始关注以生物基和可降解聚合物为基体，以天然纤维为增强材料的生物复合材料。与传统化石基合成复合材料相比，生物复合材料具有可再生、可降解以及较低密度等优势，这使其在多个商业应用领域展现出巨大的潜力。此外，在一些工业领域，如汽车制造，材料的可回收性是必须满足的要求。在欧洲塑料循环经济战略中，回收是减少原材料消耗和控制产品生命周期末期污染的关键环节。由于在生产阶段，复合材料的废料比例高达25%，回收被认为是比焚烧或填埋更具可持续性的替代方案。注射成型被认为是一种可行的再加工方式，而确保材料在多次回收过程中保持性能是实现材料再利用的重要挑战。

为了评估生物复合材料的再加工潜力，本研究模拟了材料的生命周期，并结合湿热老化和机械回收过程。通过标准化方法对回收后的材料进行表征，包括微观结构分析、热重分析（TGA）、差示扫描量热法（DSC）以及凝胶渗透色谱法（GPC）。此外，还进行了拉伸力学测试，以评估材料在多次回收后的机械性能。研究发现，所有经过回收循环的生物复合材料都出现了链断裂现象，这与湿热老化和机械处理过程中产生的热力学和机械应力有关。然而，硅烷处理纤维和加入Joncryl?这种反应性链延长剂显著提高了复合材料的热稳定性，使其能够承受更多的回收循环。特别是PLA/亚麻生物复合材料，在加入Joncryl?后能够完成3次回收循环，而PLA/竹子生物复合材料则受限于热降解，只能完成2次回收循环。

本研究的另一个重点是评估生物复合材料在回收过程中的环境影响。通过LCA方法，分析了从原料获取到产品制造的全过程，并确定了主要的环境影响阶段。结果显示，纤维处理和PLA生产是环境影响最大的两个环节。此外，纤维处理过程中产生的废水和溶剂废弃物也对环境造成了一定影响，但通过优化干燥和焚烧工艺，可以显著减少这些影响。例如，在优化干燥和焚烧的场景中，PLA/亚麻生物复合材料的环境足迹减少了50%以上，而PLA/竹子生物复合材料的环境足迹也有所下降。这表明，在工业规模上优化纤维处理工艺，可以大幅降低可回收生物复合材料的环境影响。

通过实验和分析，研究发现，硅烷处理纤维和Joncryl?的加入对复合材料的性能有显著的提升作用。在拉伸测试中，这些处理方式能够有效提高复合材料的弹性模量和拉伸强度，尤其是在多次回收循环后。相比之下，未处理的纤维和未添加链延长剂的复合材料在回收过程中表现出较差的机械性能。此外，纤维处理对复合材料的表面形态也有重要影响，硅烷处理和Joncryl?的加入能够改善纤维与聚合物基体之间的结合，减少纤维拔出现象，从而提高复合材料的耐久性。这些结果表明，通过优化纤维处理和添加反应性链延长剂，可以显著提升生物复合材料的可回收性和环境性能。

本研究的结论指出，硅烷处理纤维和Joncryl?的加入能够显著提高PLA/亚麻和PLA/竹子生物复合材料的机械回收潜力。特别是PLA/亚麻生物复合材料，能够承受3次回收循环，而PLA/竹子生物复合材料则只能承受2次循环。这表明，亚麻纤维在回收过程中表现更为优异，可能与其化学组成和形态有关。同时，研究还指出，纤维处理和链延长剂的使用虽然对复合材料的性能有积极影响，但也会增加环境负担。因此，优化这些处理步骤对于实现可持续的生物复合材料至关重要。通过工业规模上的改进，可以有效降低生物复合材料的环境影响，从而推动其在循环经济中的应用。本研究为开发高性能、可回收的天然纤维增强聚合物提供了重要的见解，为未来生物复合材料的发展和应用奠定了基础。