剑麻与油棕纤维增强生物环氧杂化复合材料的力学-物理-形态协同效应研究

本研究针对天然纤维杂化复合材料在机械性能与耐水性平衡方面的挑战，创新性地采用剑麻(Kenaf)和油棕(Oil palm)纤维与生物环氧树脂(Bio-epoxy)构建杂化体系。通过设计5种纤维配比(纯K/O及7K3O/5K5O/3K7O杂化体)，系统评估其拉伸强度(最高37.66 MPa)、冲击性能(6977.8 J/m2)及吸水率(10.9-14.78%)。扫描电镜(SEM)揭示纤维断裂与脱粘的协同失效机制，7K3O杂化体展现出最优综合性能，为汽车部件等可持续材料开发提供新思路。

　　

在环保材料研发的热潮中，天然纤维增强聚合物复合材料(NFPCs)正逐步取代传统玻璃纤维，但其核心矛盾始终存在：高强度的剑麻纤维(Kenaf)易吸水，而耐水的油棕纤维(Oil palm)力学性能较弱。这种"鱼与熊掌"的困境严重制约了NFPCs在汽车、建筑等领域的应用。M. Mohammed Nadeem团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表的研究，犹如一场材料界的"联姻实验"，通过精心设计剑麻与油棕的"混搭比例"，成功培育出兼具优异力学性能和耐水特性的"混血儿"复合材料。

研究采用手糊-冷压成型技术制备了五类复合材料：纯剑麻(K)、纯油棕(O)及7K3O/5K5O/3K7O三种杂化体，纤维总量固定为50 wt.%。通过密度测定、吸水膨胀实验评估物理性能，万能试验机和摆锤冲击仪测试力学特性，并结合SEM观察断裂形貌。特别关注了阿联酋本地获取的油棕纤维(OPF)与马来西亚剑麻纤维的协同效应。

3.1 物理性能

密度与孔隙率分析显示，7K3O杂化体虽孔隙率最高(7.50%)，但吸水率(10.94%)和厚度膨胀率(9.32%)最低，揭示其独特的"缺陷隔离"机制。而均衡配比的5K5O反而表现最差，吸水率达14.78%，说明简单1:1混合可能导致纤维堆积紊乱。

3.2 力学性能

拉伸测试中，7K3O以37.66 MPa的强度和5.50 GPa的模量拔得头筹，印证剑麻高纤维素(72%)的优势。有趣的是，纯油棕复合材料(O)的断裂延伸率(1.59%)远超剑麻体系(1.02%)，展现"刚柔并济"的杂化潜力。冲击测试则上演反转剧情——纯剑麻(K)以6977.8 J/m²的"硬汉"表现夺冠，而油棕主导的3K7O(4801.8 J/m²)因纤维脱粘成为"脆皮"。

3.3 形态学特性

SEM图像生动记录了材料"临终遗言"：剑麻纤维多呈整齐断裂(图7a-b)，彰显强界面结合；油棕纤维则留下光滑的拔出孔洞(图7f)，暴露弱结合缺陷。5K5O杂化体(图7d)呈现"分裂人格"，既有剑麻的断裂痕迹，又见油棕的拔出特征，恰如其分地解释了其中庸的力学表现。

这项研究犹如为天然复合材料绘制了精准的"基因图谱"：当需要高强度时选择剑麻主导配方(如7K3O)，追求韧性则可增加油棕比例(如3K7O)。特别值得注意的是，7K3O杂化体虽孔隙率高，却通过巧妙的"微孔封装"实现了最低吸水率，这种反直觉现象为材料设计提供了新思路。该成果不仅为汽车轻量化、可持续建筑提供了候选材料，更建立了纤维配比-性能的定量关系模型，使天然复合材料从此告别"凭经验调配"的作坊时代，迈入"精准定制"的新纪元。未来研究可进一步探索纤维表面改性对界面性能的提升，或将这种杂化策略扩展到其他生物基树脂体系。