利用Syagrus romanzoffiana棕榈纤维增强生物环氧复合材料：纤维含量对材料热机械性能和吸水性能的影响

《Industrial Crops and Products》：Enhancing bio-epoxy composites with Syagrus romanzoffiana palm fibers: Impact of fiber loading on thermomechanical and water absorption properties

生物环氧树脂复合材料力学与热稳定性及水分吸收行为研究。采用Syagrus romanzoffiana纤维（10%-30%质量分数）增强生物环氧树脂基体，通过力学测试（拉伸、弯曲强度达83.21MPa、47.54MPa）、热分析（TGA显示热稳定性提升）及微观表征（SEM、XRD、FTIR）证实纤维增强效果。纤维含量增至30%时机械性能最优，但水分吸收率显著提高（5.37%）。结晶指数随纤维含量增加（62.33%-69.73%），热分解峰值温度达372℃。研究提出10%-20%纤维含量为性能平衡最优区间，建议表面改性改善界面结合。

　　
该研究聚焦于利用非洲棕榈（Syagrus romanzoffiana）纤维（SrF）与生物环氧树脂（BioEP）制备高性能环保复合材料。通过系统评估纤维含量（10%、20%、30%）对材料力学性能、热稳定性和水分吸收的影响，研究揭示了天然纤维作为生物基复合材料增强体的潜力与局限。以下从研究背景、方法创新、关键发现及工程应用价值四个维度展开分析。

### 一、研究背景与意义
随着全球对可持续材料的需求激增，天然纤维复合材料成为替代传统合成材料的重要方向。棕榈纤维（SrF）作为热带农业废弃物，具有高强度（单纤维拉伸强度达661.87 MPa）、低密度（1.35-1.42 g/cm3）和可生物降解特性，但其应用长期受限。现有研究多集中于北半球常见植物纤维（如亚麻、剑麻、黄麻），而南半球特有的棕榈纤维尚未被系统研究。本研究突破传统，首次将SrF作为增强体与生物环氧树脂结合，探索其协同效应，为热带地区农业废弃物资源化提供新思路。

### 二、材料与方法创新
研究采用水退法提取SrF纤维，通过梯度添加（10%-30%质量比）实现纤维的连续强化。对比传统处理方式，水退法避免了化学试剂污染，且纤维形态保留完整（平均直径174.33 μm）。在基体材料选择上，采用基于 cashew nutshell liquid（CNSL）的生物环氧树脂（BioEP），其分子量达56%，显著优于普通环氧树脂的环保性。制备工艺通过分阶段铺层（每层厚度≤3 mm）和真空脱气技术，确保纤维与基体均匀混合，最大程度减少孔隙率。

### 三、关键研究结果分析
#### 1. 力学性能优化
实验数据显示，随着纤维含量提升，复合材料的拉伸强度（σ）和弯曲强度呈显著上升趋势。30%纤维含量时，拉伸强度达83.21 MPa，弯曲强度提升至47.54 MPa，分别超过其他植物纤维复合材料（如40%剑麻纤维环氧复合材料62.3 MPa、35%黄麻纤维70.4 MPa）。值得注意的是，纤维含量与模量呈非线性关系：当纤维增至20%时，模量达1.51 GPa；但继续增至30%时，模量降至2.14 GPa。这种"强度-模量"的权衡揭示了纤维分散状态的重要性——过高纤维含量导致局部应力集中，反而降低材料刚度。

#### 2. 热稳定性提升机制
热重分析（TGA）显示，添加SrF使复合材料热分解温度峰值提高2.4-3.8°C，最终残炭量增加10%-15%。XRD分析表明，纤维的加入显著提升结晶度指数（CI），从基体材料的62.33%增至69.73%，结晶尺寸缩小至7.91 nm。这种微观结构变化源于纤维作为异质成核点促进基体分子链有序排列，同时 lignin成分（占纤维干重25%-30%）在高温下形成炭化层，阻碍氧气扩散，从而提升材料热稳定性。值得注意的是，当纤维含量超过20%时，热分解第一阶段（水蒸气蒸发）时间缩短15%，表明纤维网络加速了水分迁移。

#### 3. 水分吸收的挑战与解决方案
水分吸收测试显示，30%纤维复合材料吸湿率达5.37%，是基体材料的3.25倍。微观分析表明，纤维的毛细管效应和表面亲水性导致水分通过"纤维-基体"界面和内部孔隙双重路径渗透。采用Fick第二定律修正模型分析发现，纤维含量与扩散系数呈正相关（D=8.235×10?12 m2/s），但渗透系数（Pc=2.817×10?11 m2/s）受纤维形态影响更大。研究建议通过以下途径改善耐水性：
- **表面改性**：采用硅烷偶联剂处理纤维表面，预计可使吸湿率降低40%-50%
- **界面优化**：通过纳米纤维素添加（建议添加量0.5%-1.5%）
- **结构设计**：开发多向纤维增强结构（建议纤维排列角度误差≤5°）

#### 4. 微观结构特征
SEM图像显示，10%纤维复合材料存在明显纤维团聚（图4b），导致界面结合强度下降（结合能＜5 J/m2）。当纤维含量达20%时，形成连续纤维网络（图4c），此时界面结合能提升至8.2 J/m2。但30%纤维复合材料出现局部纤维断裂（图4d），其断裂韧性较纯BioEP降低18%。这解释了为何30%纤维复合材料拉伸模量（2.14 GPa）低于其他高纤维含量体系（如25%剑麻纤维复合材料3.9 GPa）。

### 四、工程应用价值评估
#### 1. 轻量化结构应用
BioEP-SrF30的密度（1.13 g/cm3+纤维贡献）较传统碳纤维复合材料（1.6-1.8 g/cm3）低30%，同时保持拉伸强度（83.21 MPa）接近碳纤维水平（90-120 MPa）。这种密度-强度的平衡使其适用于电动汽车轻量化部件（如电池托盘、底盘连接件）。

#### 2. 半结构建筑应用
弯曲强度（47.54 MPa）与GFRP（玻璃纤维增强塑料）相当（50-60 MPa），但模量（2.04 GPa）仅为GFRP的45%。这种"强度优先、刚度适中"的特性适合用于需要抗冲击但无需高刚度的结构件，如桥梁护拦、建筑隔板等。

#### 3. 可持续性优势
BioEP树脂含56%天然成分（CNSL提取），配合SrF纤维的生物降解性（28天完全降解），使复合材料碳足迹降低至0.8 kg CO?/m3。按年产5000吨纤维计算，可替代30万吨合成树脂。

### 五、研究局限性及改进方向
#### 1. 当前技术瓶颈
- 纤维分散度不足（SEM显示30%复合材料纤维间距＞50 μm）
- 水分吸收率偏高（5.37%达临界值）
- 高温长期性能数据缺失（需补充200°C/1000小时加速老化试验）

#### 2. 建议改进措施
- **预处理工艺**：开发两步水退法（先去除外层蜡质，再进行纤维分离）
- **界面增强技术**：采用等离子体处理（功率50-100 W，时间30 s）改善纤维表面亲水性
- **复合结构优化**：设计纤维体积分数梯度结构（表层20%纤维，芯层10%纤维）

### 六、学术贡献与发展前景
本研究首次系统揭示SrF纤维的尺寸效应（直径＜200 μm时性能最佳）与界面失效机制（纤维长度＞10 mm时易发生轴向剥离）。通过建立多尺度性能预测模型（纤维长度-分散度-界面结合能关联矩阵），为天然纤维复合材料设计提供理论框架。后续研究可聚焦：
1. 开发基于机器学习的纤维优化配置系统
2. 探索SrF与其他热带纤维（如剑麻、龙舌兰纤维）的协同增强效应
3. 研制生物基阻燃剂（建议添加量3%-5%）

该研究不仅为棕榈纤维的产业化应用奠定基础，更开创了热带农业废弃物在先进复合材料领域的应用先河，对发展中国家实现"循环经济-材料创新-产业升级"的三角突破具有重要实践意义。