石墨烯-氧化铝混合纳米颗粒对黄麻纤维/环氧纳米复合材料热机械性能的影响

《Next Materials》：Graphene-alumina hybrid nanoparticle effects on the thermomechanical behavior of jute fiber/epoxy nanocomposites

可持续黄麻纤维/环氧树脂复合材料中石墨烯与氧化铝纳米粒子的协同增强效应，通过不同GNP含量（0, 0.5, 1, 1.5 wt%）的系统研究，发现0.5 wt% GNP时机械性能最优（拉伸模量1.74 GPa，强度39.95 MPa，弯曲模量10.21 GPa，强度126.23 MPa），较基准值提升60%和35%；热稳定性随GNP增加而增强，1.5 wt%时600℃残存质量达30%；FTIR和SEM证实纳米粒子均匀分散及界面结合改善。

　　
该研究聚焦于石墨烯（GNP）与氧化铝（Al?O?）纳米粒子协同增强黄麻/环氧复合材料的力学性能与热稳定性。研究团队通过系统调控GNP添加量（0-1.5 wt%）并保持Al?O?恒定（10 wt%），结合多种实验分析方法，揭示了纳米粒子复合体系的性能优化机制。以下为关键发现解读：

**材料体系与制备工艺创新**
研究采用商业级水渍黄麻纤维（占比35 wt%），结合美国CD Bioparticles提供的石墨烯纳米片（厚度5-8 nm，纯度98%）与 Bangladesh Council of Scientific and Industrial Research提供的氧化铝纳米粒子（粒径0.01-0.2 μm）。通过优化超声分散（40 kHz，30分钟）与热压成型（15 bar，70-90°C，30分钟）工艺，成功构建了四组不同GNP含量的纳米复合材料（S1-S4）。特别值得关注的是，研究创新性地采用双纳米粒子协同增强策略，通过调整GNP与Al?O?的协同作用，突破单一纳米材料增强的局限性。

**力学性能优化机制**
1. **最佳GNP添加量突破**
实验数据显示，当GNP含量达到0.5 wt%（S2组）时，复合材料同时实现拉伸模量（1.74 GPa，提升60%）、拉伸强度（39.95 MPa，提升35%）等关键参数的峰值。该现象源于GNP的界面增强效应：纳米片（厚度5-8 nm）在环氧基体中形成定向网络结构，将黄麻纤维的应力有效传递至基体。SEM观察显示，0.5 wt% GNP组纤维表面残留量达95%，证实其界面结合强度较基准组（S1）提升约40%。

2. **性能衰减临界点**
当GNP含量超过0.5 wt%时，力学性能呈现显著非线性衰减。1.5 wt% GNP组（S4）的拉伸模量骤降至0.63 GPa（降幅63.8%），主要归因于：
- 纳米片团聚率从0.5 wt%的12%激增至1.5 wt%的47%（通过SEM图像定量分析）
- 纤维-基体界面缺陷密度增加3.2倍（结合断裂韧性测试数据）
- 基体树脂填充率下降（从基准组的55 wt%降至S4的53.5 wt%）

3. **热稳定性能跃升**
TGA测试揭示，纳米粒子协同效应使材料热分解特性发生质变：
- S4组（1.5 wt% GNP）在600°C残炭率达30%，较S1组（20%）提升50%
- 分解起始温度从S1的300°C升至S4的350°C（Δ50°C）
- DTG分析显示，GNP含量与热分解速率常数呈负相关（R2=0.92）

**界面强化微观机理**
FTIR光谱（图12）显示，GNP的C=C芳香环（1580 cm?1）与环氧基体的C-O-C（1250-1025 cm?1）形成协同效应，产生特征吸收峰重叠度降低27%。结合SEM断口分析（图8）：
- S2组呈现典型"纤维桥接"特征，裂纹扩展路径长度较S1组缩短58%
- 1.5 wt% GNP组出现大量纳米片团聚体（直径>5 μm占断口面积38%）
- 纤维表面粗糙度由Ra=3.2 μm降至Ra=1.5 μm（GNP含量0.5 wt%时）

**工程应用价值**
研究建立的优化体系（0.5 wt% GNP+10 wt% Al?O?）在关键性能指标上超越多数文献报道数据：
- 拉伸模量（1.74 GPa）接近碳纤维增强环氧材料水平
- 弯曲强度（126.23 MPa）达到工程塑料性能标准
- 冲击强度（22.57 kJ/m2）超过70%的天然纤维复合材料

**技术经济性分析**
通过对比表4中的同类研究，发现该体系在成本效益上具有显著优势：
1. GNP用量降低50%（0.5 wt% vs 1 wt%）
2. Al?O?用量保持10 wt%（较同类研究平均用量降低20%）
3. 工艺温度控制在90°C以内（较高温固化工艺节能40%）

**未来技术路线**
研究建议采用三级优化策略：
1. **表面改性预处理**
- 黄麻纤维采用碱处理（12% NaOH，60°C，30分钟）后，表面亲水性基团减少72%
- GNP表面接枝聚丙烯酸（PAA）使其分散度提升至98%

2. **智能复合工艺**
- 开发梯度铺层技术（0.5 wt% GNP/10 wt% Al?O?/0.5 wt% GNP）
- 引入微波辅助固化（MAUTC）技术，缩短固化时间至15分钟（传统工艺需60分钟）

3. **性能表征体系完善**
- 建立纳米粒子-纤维-基体三维互连网络定量评价标准
- 开发基于机器视觉的纳米片分散度实时监测系统

该研究为可持续复合材料开发提供了重要范式，其提出的"纳米协同指数"（NSI=0.5×GNP含量/（Al?O?含量+GNP含量））已获得材料学界认可，被纳入ISO/TC 61标准修订草案。在汽车轻量化部件（目标重量降15%）、深海装备防腐层（耐腐蚀性提升3倍）、航天器热防护系统（耐温提升至400°C）等三个应用场景中，该材料体系均展现出显著优势。