MgO填充玄武岩纤维/PLA复合材料的高温热性能研究及其在工业应用中的潜力

为解决高温工业应用中生物可降解聚合物复合材料热机械性能不足的问题，研究人员通过将氧化镁(MgO)纳米颗粒引入玄武岩纤维增强聚乳酸(PLA)基体，开发出兼具环境友好与高性能的轻量化复合材料。最优配方L3(3% MgO)展现出154.94 MPa拉伸强度、159.21 MPa弯曲强度、32.45 kJ/m2冲击强度及163°C热变形温度，热导率达0.142 W/mK，峰值降解温度提升至378°C。该研究为汽车发动机舱部件、电子封装等高温应用提供了可持续材料解决方案。

　　

随着全球对可持续材料需求的激增，传统合成纤维复合材料的高能耗、难降解问题日益凸显。聚乳酸(PLA)虽具生物可降解特性，但其低热稳定性(<200°C)和热导率(0.13 W/mK)严重制约其在高温工业场景的应用。玄武岩纤维虽具有1450°C的熔点和优异化学稳定性，但单纯PLA基复合材料的界面粘附力不足导致力学性能受限。如何通过绿色改性技术突破生物基复合材料的高温性能瓶颈，成为材料领域亟待解决的关键问题。

针对这一挑战，国内研究人员在《Results in Engineering》发表创新研究，通过将纳米氧化镁(MgO)与玄武岩纤维协同引入PLA基体，系统探究了0-4 wt.% MgO填充对复合材料性能的影响。研究采用手工铺层法制备五层双向编织玄武岩纤维增强复合材料，通过机械搅拌(600 rpm/30 min)和超声处理(20 min)实现MgO纳米颗粒均匀分散，经95°C/2h热压固化成型。利用万能试验机(Instron 3367)、热机械分析仪(TA Q400)和热重分析仪(TA Q500)等设备，全面表征了材料的力学性能、热膨胀系数(CLTE)和热稳定性。

力学性能方面，3% MgO填充的L3样品展现出全面增强：拉伸强度达154.94 MPa，较未填充样品提升7.79%；弯曲强度159.21 MPa提高8%；冲击能量吸收提升28%至32.45 kJ/m²；肖氏D硬度132提高13.6%。扫描电镜(SEM)显示MgO的加入显著改善了纤维-基体界面结合，L3样品断裂面呈现纤维断裂而非拔出的特征，表明有效的应力传递机制。

热性能测试揭示L3样品具有最优综合表现：热导率0.142 W/mK比纯PLA提高10倍；线性热膨胀系数(CLTE)降至1.14×10^-5 /°C，降幅达86.18%；热变形温度(HDT)163°C提高21.64%。热重分析(TGA)显示其峰值降解温度达378°C，比对照组高11°C，600°C残炭率14%表明优异的热稳定性。这种增强源于MgO纳米颗粒在基体中形成的热阻隔网络，以及其与玄武岩纤维的协同效应。

该研究创新性地证实了3% MgO填充量为最佳平衡点，超过此阈值(如4%的L4样品)会因颗粒团聚导致性能下降。通过建立"纤维-纳米填料-基体"三元协同体系，不仅解决了PLA基复合材料高温性能不足的难题，更开辟了生物基材料在汽车发动机部件、电子封装等高温场景的应用前景。相比传统工程塑料如聚酰胺66(PA66)和聚醚醚酮(PEEK)，该复合材料在保持可降解性的同时，热机械性能已接近玻璃纤维增强聚丙烯的水平。

研究团队在讨论部分特别指出，这种"绿色高性能"设计理念为替代石油基工程塑料提供了新思路。未来通过表面功能化改性、 hybrid filler(混合填料)策略及规模化制备工艺优化，有望进一步突破性能极限。该成果标志着生物可降解复合材料向高温工业应用领域迈出了关键一步，对实现"双碳"目标下的材料革新具有重要示范意义。