化学改性棕榈渣/蔗渣混杂增强聚酯复合材料的拉伸与形态学特性及其农业废弃物资源化应用潜力

语 为提升聚酯基复合材料的力学性能并解决农业废弃物（如棕榈渣DPF、蔗渣BF）环境污染问题，研究人员通过碱处理（NaOH）优化短纤维界面特性，采用压缩成型技术制备混杂增强复合材料。结果表明：1% NaOH处理的2.5 wt.% DPF复合材料拉伸强度达42.42 MPa，较纯聚酯提升约100%，断裂应变显著改善；SEM证实纤维-基体粘附增强，临界纤维长度计算优化负载传递。该研究为SDG 13（负责任生产）和非洲议程2063提供技术支撑，推动农业废料高值化利用。

　　

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研究背景：当农业废弃物遇见材料革新

聚酯（Polyester）因其脆性难以满足中高延展性需求，而棕榈渣（Date Palm Fiber, DPF）和蔗渣（Bagasse Fiber, BF）等农业废弃物的不当处置加剧环境污染。如何将二者结合，既提升材料性能又实现废弃物资源化？这成为非洲可持续发展目标（SDGs）与非洲议程2063的关键议题。埃及法尤姆省与上埃及地区的研究团队通过创新性纤维改性技术，给出了突破性解决方案。

研究方法：从纤维处理到性能验证

研究人员以埃及本地DPF和BF为原料，通过碱处理（1%/5% NaOH溶液）、压缩成型制备复合材料，系统开展：

1. 热重分析（TGA）：测定纤维热分解温度（BF: 313°C, DPF: 334°C）；
2. 单纤维拉伸测试：分析碱处理对强度的影响（5% NaOH处理DPF强度达282 MPa）；
3. 临界纤维长度计算：基于公式 Lc=2?τcσf×Df 优化纤维尺寸（DPF需>8.67 mm）；
4. 复合材料力学测试：按ASTM D638标准检测拉伸性能；
5. 扫描电镜（SEM）与能谱分析（EDS）：观察纤维形貌及元素组成（DPF含硅元素增强界面）。

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研究结果

1. 碱处理显著提升纤维性能

• 单纤维强度：5% NaOH处理的DPF拉伸强度达282 MPa，较未处理纤维（148 MPa）提升90%（表2）；
• 元素变化：EDS显示碱处理去除DPF表面蜡质，形成粗糙结构（图3c），但残留钠元素可能削弱粘附（表3）。

2. 纤维含量与化学处理的协同效应

复合材料类型	最佳条件	拉伸强度 (MPa)
DPF增强聚酯 (DPRP)	2.5 wt.% + 1% NaOH	42.42
BF增强聚酯 (BFRP)	2.5 wt.% + 5% NaOH	30.46
混杂复合材料	2.5 wt.% + 1% NaOH	35.84

• 关键发现：
  • DPRP断裂应变较纯聚酯提升100%，混杂体系提升70%；
  • BF含量>2.5 wt.%或DPF>3.5 wt.%时强度下降（图6），因纤维团聚导致应力集中。

3. 界面结构决定力学行为

• SEM证据：5% NaOH处理的DPF表面形成球状凸起（图3c），与聚酯基体紧密嵌合（图7b）；
• BF缺陷：高孔隙率（图3a）导致界面失效，印证其较低力学贡献。

4. 临界纤维长度的工程价值

• 负载传递优化：DPF的临界长度 Lc75=8.67 mm（1% NaOH）与实际切割长度（8.3-10.3 mm）匹配（图4a），确保高效应力传递（表4）。

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结论与意义

该研究通过精准调控碱处理浓度（1% NaOH为DPF最优）、纤维比例（2.5 wt.%）及临界长度，实现三大突破：

1. 性能突破：DPRP拉伸强度（42.42 MPa）远超纯聚酯（约27 MPa），延展性翻倍；
2. 机理创新：揭示硅元素增强界面、钠残留削弱性能的矛盾效应；
3. 可持续价值：将农业废弃物转化为高附加值材料，直接支持SDG 13（气候行动）和SDG 15（陆地生物保护）。

研究发表于《Scientific African》，为非洲本土化材料开发提供范式——未来可扩展至汽车部件、建筑板材等领域，推动循环经济与绿色制造。