综述：可持续植物纤维复合材料加工中的挑战概述

这篇综述系统探讨了可持续植物纤维复合材料（PFRC）加工中的关键挑战，涵盖水分吸收/膨胀动力学（Fickian/Langmuir模型）、预成型体压实行为（纤维体积分数Vf与压力关系）、树脂渗透性（Darcy定律）以及热稳定性（Tg/Td阈值）。重点分析了纤维素微纤丝角（MFA）、羟基含量对界面粘结的影响，并评述了化学功能化（如硅烷偶联剂）和LCM工艺优化策略，为绿色复合材料产业化提供理论支撑。

　　

植物纤维复合材料的结构基础

植物纤维作为典型的生物基增强体，主要来源于麻类（亚麻、黄麻）、叶纤维（剑麻）及禾本科（竹纤维）等。其多层次结构从宏观束状到纳米级微纤丝（直径约10-30 nm）呈现高度异质性。纤维素微纤丝以螺旋角（MFA 5°-30°）排列构成次级细胞壁S2层，该角度直接影响纤维力学性能——低MFA的亚麻纤维弹性模量可达100 GPa，而高MFA的椰壳纤维仅4-6 GPa。这种结构特性导致加工过程中出现显著的各向异性行为。

水分吸收与膨胀动力学挑战

植物纤维的羟基含量（纤维素60-85%）使其具有固有亲水性，水分吸收率可达12-15%。研究表明，亚麻纤维在95%RH环境下吸湿后，其增强环氧树脂复合材料的弯曲模量从16.3 GPa降至11.8 GPa。水分扩散遵循双阶段Fick定律：初期快速扩散（D₁≈10^-10 m²/s）通过细胞壁微孔，后期慢速扩散（D₂≈10^-12 m²/s）受控于木质素屏障。溶胀行为则呈现非线性特征，如黄麻纤维在极性树脂中直径溶胀达20-30%，导致LCM工艺中预成型体孔隙率变化达17%。

压实与浸渍行为特性

植物纤维预成型体的压实曲线呈现典型三阶段特征：初始层间空隙压缩（压力<0.1 MPa）、纤维束变形（0.1-1 MPa）和细胞腔塌陷（>1 MPa）。对比研究表明，剑麻无纺布达到50% V_f需4倍于玻璃纤维的压力（约2.5 MPa）。渗透性测试显示，大麻织物在径向流实验中K₁₁/K₂₂各向异性比达1.24，而单向亚麻/短纤纸层压板的毛细管效应使树脂前沿速度差异达150%。改性Carman-Kozeny模型引入毛细压力项后，预测精度提高23%。

热稳定性调控策略

植物纤维的三大组分降解温度存在显著差异：半纤维素（200-260°C）<><>_d提高40°C，但会牺牲15%拉伸强度。阻燃改性方面，聚磷酸铵（APP）处理的麻纤维/聚酯复合材料极限氧指数（LOI）从21%提升至34%，达到UL-94 V-0级。值得注意的是，碱处理+硅烷偶联的剑麻纤维在300°C残炭量提高40%，为高温应用提供了新思路。

工艺适配性创新

针对植物纤维特性，近年发展出多项特色工艺：旋转鼓式树脂浴（kenaf纤维缠绕成型）、低温固化生物环氧树脂（T_g≈80°C）、以及磷酸化预处理结合RTM工艺（成型压力降低30%）。特别值得关注的是，亚麻/聚丙烯混纤纱的熔融浸渍工艺（T_m≈170°C）成功实现了纤维体积分数达60%的汽车内饰件量产。

未来发展方向

当前研究空白主要集中在多尺度耦合机理方面：①纳米级纤维素-半纤维素界面水分子传输路径；②湿热-机械载荷协同作用下的长期性能预测模型；③基于人工智能的工艺参数优化系统。突破这些瓶颈将推动植物纤维复合材料在医疗器械（可降解骨板）、健康建筑（阻燃隔热墙板）等高端领域的应用。