碱处理增强虎尾兰纤维增强复合材料的粘附性与力学性能研究

推荐：为解决天然纤维与聚合物基体间粘附性差的问题，研究人员通过5% NaOH碱处理虎尾兰纤维(SF)，显著提升复合材料力学性能。结果表明，处理后的纤维复合材料(TFC)拉伸强度达142.7 MPa，较未处理组(UFC)提升70%，XRD和SEM证实纤维结晶度与界面结合增强。该研究为开发高性能环保复合材料提供了新思路。

　　

随着全球对可持续材料的迫切需求，天然纤维增强复合材料因其环境友好性和可降解性成为研究热点。然而，天然纤维与合成树脂基体间的弱界面结合严重制约其力学性能——这就像试图用光滑的吸管搅拌黏稠的蜂蜜，难以形成有效力传递。虎尾兰纤维(Sansevieria fiber, SF)作为热带地区丰富的生物资源，虽具备优异比强度，但表面残留的木质素和半纤维素如同"天然屏障"，阻碍其与聚合物基体的亲密接触。

为突破这一瓶颈，研究人员开展了一项创新研究。通过5%氢氧化钠(NaOH)溶液对SF进行2小时碱处理，随后采用手工铺层法制备聚酯树脂基复合材料。热重分析(TGA)显示处理后的纤维复合材料(TFC)热稳定性提升至441°C，X射线衍射(XRD)证实其结晶度提高至61.8%。更令人振奋的是，拉伸测试中TFC展现出142.7 MPa的拉伸强度，较未处理组(UFC)的99 MPa增幅达44%，扫描电镜(SEM)图像清晰显示碱处理后的纤维表面形成"纳米级锚点"，显著减少纤维拔出现象。

这项发表于《South African Journal of Chemical Engineering》的研究，主要运用了四大关键技术：通过水浸法提取SF纤维后实施标准化碱处理；采用热重-差热联用技术(TGA/DSC)分析热稳定性；利用XRD测定晶体结构变化；结合SEM和单纤维拔出试验评估界面结合强度。

3.1 SF相容性
碱处理通过双重机制增强界面结合：化学上暴露羟基(-OH)促进氢键形成，物理上增加表面粗糙度实现机械互锁。EDX分析显示处理后纤维氧含量提升12%，印证表面活化效果。

3.2 复合材料热性能
TFC在441°C才出现显著质量损失，比UFC高9°C。DTA曲线揭示处理后的纤维分解吸热峰更尖锐，表明纤维素晶体排列更有序。

3.3 晶体特性
XRD图谱中衍射峰从19.44°偏移至19.55°，对应纤维素I型晶体结构优化。计算得出结晶指数从52.3%提升至61.8%，解释其强度提升的分子基础。

3.4 界面形貌
SEM显示UFC样本中纤维拔出现象普遍，平均拔出长度达85μm；而TFC中纤维断裂占比提高67%，证实界面应力传递效率改善。

3.5 拉伸性能
TFC弹性模量达2.714 GPa，较UFC提升56%。应力-应变曲线的"阶梯式"波动揭示复合材料的多级失效机制，碱处理使能量吸收效率提高40%。

3.6 纤维拔出形貌
定量分析显示TFC界面剪切强度(IFSS)达27.2 MPa，比UFC高48%。断裂面分析发现TFC中纤维断裂面呈现"刷状"形貌，是强界面结合的典型特征。

该研究不仅证实5% NaOH处理是优化SF复合材料性能的经济有效方案，更创新性地建立了"结晶度-界面强度-宏观性能"的关联模型。特别值得注意的是，处理后的复合材料在保持环境友好特性的同时，其强度已接近部分工程塑料水平，为汽车内饰、建筑模板等应用开辟了新可能。研究团队特别指出，下一步将探索碱处理与硅烷偶联剂的协同效应，以进一步提升复合材料在湿热环境下的耐久性。这些发现为天然纤维从"实验室 curiosities"向"工业级材料"的跨越提供了关键技术支撑。