碳酸氢钠改性香蕉纤维增强聚丙烯复合材料的吸水性与力学性能优化：基于田口-灰色关联分析的多目标调控

推荐：本研究针对天然纤维复合材料机械性能不稳定和吸水率高的问题，通过田口-灰色关联分析法优化香蕉纤维/聚丙烯(PP)复合材料的制备工艺。发现12.5 wt%香蕉纤维经6% NaHCO3处理后在1 MPa模压压力下可获得最佳力学性能（拉伸强度48.44 MPa，弯曲强度78.22 MPa，冲击强度28.35 kJ/m2），为绿色复合材料开发提供新策略。

　　

随着环保意识增强，可持续材料研发成为全球热点。天然纤维复合材料因可降解、成本低等优势备受关注，但存在机械性能不稳定、与聚合物基体相容性差等瓶颈问题。香蕉纤维作为富含纤维素（60%-65%）的农业废弃物，虽具优异力学潜力，但表面亲水基团导致的吸水膨胀问题严重制约其应用。传统化学改性方法如碱处理会破坏纤维结构，而碳酸氢钠(NaHCO₃)作为一种温和的绿色改性剂，能选择性去除纤维表面杂质而不损伤纤维素骨架，这为开发高性能天然纤维复合材料提供了新思路。

印度Roorkee当地市场采集的香蕉纤维（直径138 μm，密度1.28 g/cm³）与聚丙烯(PP)通过压缩模塑工艺制备复合材料。研究人员采用L₁₆正交阵列设计实验，系统考察了香蕉纤维含量（5-12.5 wt%）、NaHCO₃浓度（0-9%）和模压压力（0.5-2 MPa）三因素对材料性能的影响。通过灰色关联分析将多目标响应转化为单一优化指标，结合扫描电镜(SEM)观察界面形貌，揭示了材料性能的调控机制。

水吸收行为分析显示，5 wt%香蕉纤维复合材料的吸水率最低（1.23%），而12.5 wt%样品达4.2%。NaHCO₃处理有效降低了纤维表面羟基活性，6%浓度处理使BP12.5复合材料的吸水率降至3.36%。SEM证实该处理能减少纤维表面不规则结构，增强纤维与基体的机械互锁。

力学性能测试表明，12.5 wt%香蕉纤维/6% NaHCO₃/1 MPa组合的复合材料呈现最优综合性能：拉伸强度48.44 MPa较未处理样品提升102%，弯曲强度78.22 MPa提升70%，冲击强度28.35 kJ/m²达到工程塑料水平。ANOVA分析显示香蕉纤维含量贡献率达48.14%，是主导因素；NaHCO₃处理贡献43.14%，主要通过改善界面粘附实现；而模压压力仅贡献8.72%。

断口形貌分析揭示了性能增强机制：6% NaHCO₃处理既能去除纤维表面蜡质和半纤维素，又避免过度脱木质素造成的纤维损伤。适度的表面粗糙度增加了与PP基体的接触面积，促进应力传递。而9%高浓度处理会导致纤维原纤化，反使界面缺陷增多。

该研究通过绿色改性工艺实现了香蕉纤维/PP复合材料性能的显著提升，为农业废弃物高值化利用提供了可行方案。优化的工艺参数可直接指导工业生产，制备的复合材料在汽车内饰、包装材料等领域具有应用前景。研究采用的田口-灰色关联分析法为多目标材料优化提供了普适性方法框架，其结论对其它天然纤维复合材料的开发也具有借鉴意义。论文发表于《Next Materials》，推动了可持续材料领域的技术进步。