黄麻、椰壳纤维及其与椰壳生物炭复合材料的开发与性能表征

《Next Research》：Development and characterization of jute, coir and their hybrid composite materials with coconut shell biochar

本研究开发并表征了剑麻-椰子纤维混合环氧复合材料在干湿条件下的性能，采用碱处理改善纤维与基体结合，添加椰壳生物炭作为增强填料。结果表明，混合纤维与10%生物炭复合后，拉伸强度达45MPa，弯曲强度超85MPa，湿态性能下降仅3-6.8%，热稳定性提升至498.1℃。生物炭的疏水性及孔隙结构有效阻隔水分侵入，协同效应显著。

　　

摘要

为了应对对可持续和高性能复合材料日益增长的需求，本研究探讨了基于环氧树脂的复合材料在干燥和浸水条件下的新型开发及其全面性能表征，这些复合材料使用了黄麻、椰壳纤维及其混合形式作为增强材料，并加入了椰壳生物炭作为生物填料。天然纤维经过碱处理，生物炭则通过在600°C下热解制备而成。复合材料中纤维含量为54–58%，填料含量为7–10%，采用压缩成型工艺制备，并对其进行了机械性能、热性能（TGA/DSC）、吸水性（ASTM D570）、微观结构（FESEM/EDX）及统计分析（ANOVA）的测试。含有10%生物炭和54–58%纤维体积比的混合复合材料表现出优异的性能，其抗拉强度高达45 MPa，抗弯强度超过85 MPa，拉伸模量为6000 MPa。在潮湿条件下，强度略有下降，抗拉强度下降约3–3.5%，抗弯强度下降6.4%，抗冲击强度下降6.8%，这凸显了生物炭在抵抗水分渗透方面的作用。TGA和DSC分析表明，该复合材料的热稳定性范围为341.1°C至498.1°C，玻璃化转变温度（Tg）约为500°C，高于黄麻（380°C）和椰壳纤维（400°C）。由于生物炭的疏水性及改善的界面结合效果，材料的吸水性最低（1.54–2.89%）。研究结果突显了纤维混合与生物炭增强之间的协同效应，为潮湿环境和高温应用提供了可持续且耐用的材料解决方案。

引言

全球向可持续和环保材料转型的趋势推动了天然纤维增强聚合物复合材料的研究。这类材料为玻璃纤维和碳纤维等合成纤维提供了可再生、可生物降解的替代品[[1], [2], [3]]。在天然纤维中，黄麻和椰壳纤维因其低成本、可生物降解性和良好的机械性能而受到关注。黄麻纤维具有较高的抗拉强度和刚性，而椰壳纤维则以抗冲击性和耐湿性著称[4]。然而，它们的亲水性往往导致与疏水性聚合物基体的粘附性能较差，从而降低了机械性能。

为解决这一问题，研究人员探索了多种策略，包括纤维的混合使用。通过结合黄麻和椰壳纤维，可以发挥各自的优势——黄麻的刚性和防水性能与椰壳的柔韧性和韧性[5]。研究表明，与单一纤维复合材料相比，混合复合材料具有更好的机械性能，如更高的抗拉强度和抗弯强度。例如，黄麻与椰壳纤维的比例为3:1时，抗弯强度和模量得到提升；比例为50:50时，强度和延展性达到平衡[6]。

除了混合使用外，还采用了化学处理方法（如碱处理，使用NaOH）来增强纤维与基体的粘附性。这些处理可以去除杂质并增加纤维表面粗糙度，从而提高与聚合物的机械结合效果[7]。经过2% NaOH处理的黄麻纤维抗拉强度提高了40%，而经过6% NaOH处理的椰壳纤维抗拉强度提高了62%[8,9]。然而，过度处理会损坏纤维结构并降低复合材料强度，因此优化处理条件至关重要[10]。

填料是天然纤维复合材料中的另一个重要组成部分[11]。椰壳生物炭是一种有前景的生物基填料，能够提升材料的机械和热性能。其多孔表面结构有助于改善纤维与聚合物基体的结合，从而提高抗拉强度、刚性和抗冲击性[12]。生物炭还起到隔热和防潮的作用，减少吸水性并提高复合材料的耐久性。

研究证实了生物炭在提升复合材料性能方面的有效性。含有30%椰壳填料的复合材料抗拉强度提高了44%，抗弯强度提高了128%。当以15%的比例添加到黄麻复合材料中时，生物炭进一步改善了其机械性能，尤其是在层状结构中[13,14]。因此，将椰壳生物炭与黄麻和椰壳纤维结合使用，为聚合物复合材料提供了一种可持续且性能优异的解决方案。

尽管取得了这些进展，吸水性仍是一个重要挑战。黄麻和椰壳等天然纤维会吸收水分，导致纤维膨胀、纤维-基体结合减弱以及机械性能下降[15,16]。高纤维含量的黄麻复合材料在潮湿环境中抗拉强度可下降多达28.93%[17]。水分吸收还会起到增塑作用，降低界面结合强度，影响材料的长期耐久性。

本研究的目的是探讨椰壳生物炭作为增强填料对由黄麻和椰壳纤维制成的天然纤维复合材料的机械性能、热性能和防潮性能的影响。研究重点在于了解这些纤维的混合使用以及加入生物炭后对复合材料结构完整性、尺寸稳定性和整体性能的影响。此外，还旨在评估吸水性对复合材料行为的影响，并确定最佳的纤维-填料比例，以提高工程应用中的耐久性和可持续性。

材料

椰壳纤维来自印度喀拉拉邦的中央椰壳研究所。黄麻纤维则来自印度西孟加拉邦的中央黄麻及相关纤维研究所。使用的环氧树脂为Araldite LY 556，固化剂为Aradur HY 951，两者的混合比例为10:1。表1列出了这些材料的物理特性以及黄麻和椰壳纤维的特性。复合材料中使用的椰壳生物炭填料信息也在此提及。

纤维的碱处理

椰壳和黄麻纤维被手工切成5厘米长的短段。为了去除灰尘和其他水溶性颗粒，首先用自来水清洗纤维，然后用蒸馏水清洗。随后，在室温下将两种纤维分别浸泡在5%的NaOH溶液中4小时。从NaOH溶液中取出后，用自来水冲洗五次，再用蒸馏水冲洗两次，以中和纤维中的碱。

热分析（TGA）

黄麻-椰壳混合纤维复合材料与纯环氧树脂复合材料的TGA结果显示了显著的热降解行为差异（见图1和表3）。纯环氧树脂复合材料（S1）表现出单阶段降解过程，Tmax为494.4°C，880°C时无残余重量。相比之下，黄麻-椰壳混合纤维复合材料（S2-S6）表现出多阶段降解过程，Tmax值介于454.3°C至498.1°C之间。

结论

本研究成功证明了填充有椰壳生物炭的黄麻-椰壳混合复合材料作为可持续和高性能替代品的潜力。通过碱处理和适当的材料混合，复合材料增强了纤维与环氧树脂基体之间的界面结合，从而提高了机械性能和尺寸稳定性。

机械测试结果显示抗拉强度等性能有了显著提升。

资金支持

作者在进行本研究、撰写和/或发表成果的过程中未获得任何资金支持。

数据获取

支持本研究结果的数据可向通讯作者索取。

作者贡献声明

Sanat Kumar Sahoo： 负责撰写初稿、方法设计及实验研究。Bibhu Prasad Dash： 负责审稿与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理和概念构思。

利益冲突声明

我们，Sanat Kumar Sahoo和Bibhu Prasad Dash，声明与本研究工作无关任何利益冲突。我们未从任何可能影响研究结果的组织或个人处获得任何财务支持或利益。我们之间不存在可能被视为利益冲突的个人或职业关系。