随机废弃椰壳纤维金属层合板的力学性能评估与简化生命周期分析：可持续轻量化结构的创新解决方案

这篇研究通过评估环氧树脂(epoxy)、聚酯(polyester)和蓖麻油基聚氨酯(castor-oil PU)三种基体制备的椰壳纤维(coir-fiber)增强铝基纤维金属层合板(FML)的力学性能，结合经典层合板理论(CLT)和简化生命周期评估(MECO矩阵)，证明蓖麻油基复合材料(CFRCO)在比力学性能和生态效率方面具有显著优势，为可持续轻量化结构材料开发提供了新思路。

　　

材料与方法

研究采用生态设计方法分三阶段进行：第一阶段制备随机短椰壳纤维增强环氧树脂(CFREP)、聚酯(CFRPO)和蓖麻油基聚氨酯(CFRCO)复合材料；第二阶段以这些复合材料为核心制备纤维金属层合板(CoRAL)，包括EP-CoRAL、PO-CoRAL和CO-CoRAL三种类型，并采用三种铝表面处理方式：砂纸打磨(T1)、碱脱脂(T2)和商业预涂底漆(T3)；第三阶段采用MECO矩阵进行简化生命周期评估。材料包括Deflor Bioengenharia提供的椰壳短纤维、Huntsman的环氧树脂体系、Reichhold的聚酯树脂以及Imperveg的蓖麻油基生物聚合物。

力学性能评估

通过拉伸、弯曲和层间剪切强度(ILSS)测试评估材料性能。环氧和聚酯基体表现出优异的拉伸和弯曲模量及强度，而蓖麻油基PU由于交联密度低呈现弹性体行为。CFRCO复合材料孔隙率较高，这是PU化学中异氰酸酯与水分子反应生成CO₂的固有特性。CFREP和CFRPO复合材料的拉伸和弯曲刚度比CFRCO高151%-185%。在FML中，CO-CoRAL-T1表现出最高的比拉伸模量(10.72 GPa·cm³/g)、比弯曲模量(25.30 GPa·cm³/g)和比弯曲强度(84.21 MPa·cm³/g)，其比弯曲性能比整体铝材高出24%-89%。

界面处理与性能关系

铝表面处理对性能影响显著：聚酯基FML必须使用预涂底漆处理才能获得足够界面粘接，而蓖麻油基FML仅需表面粗糙化处理即可。NaOH处理(T2)对环氧基FML最有效，使EP-CoRAL-T2获得最高弯曲强度(103.07 MPa)。预涂底漆处理虽然改善了聚酯与铝的粘接，但由于残留溶剂可能影响环氧树脂固化，反而不利于环氧基FML的界面性能。ILSS测试显示环氧基FML具有最高的层间剪切强度(字母组A)，而聚酯和生物基FML相当(字母组B)。

理论分析与实验验证

采用经典层合板理论(CLT)和层合梁理论(LBT)分析应力分布。理论预测的拉伸模量普遍高于实验值5.6%-21%，而强度预测更接近实验值。弯曲应力分析显示最大应力出现在铝蒙皮外层(Z_2F)，范围129.5-143.5 MPa。CO-CoRAL-T1核心区应力最低(3.7 MPa)，这与其较高的变形能力相关，有助于减少界面应力集中。

环境与性能平衡

MECO矩阵分析表明CO-CoRAL-T1具有最佳生态机械性能平衡：原材料需求最低、可再生能源使用率最高、石油基聚合物需求最少，且固体废物产生量最少。相比需要多步表面处理的环氧和聚酯基FML，蓖麻油基FML制造工艺更简单，仅需T1处理即可获得足够界面性能。生命周期评估显示预涂底漆处理(T3)会显著增加能源消耗和空气排放(含1-丁醇、甲醛、甲基乙基酮等有害物质)。

研究展望

未来研究应关注：开发环保型界面改性方法、评估材料在湿热/UV等环境下的老化行为、研究疲劳和冲击性能、探索蓖麻油基复合材料的形状记忆特性。基于蓖麻油PU的低交联密度特性，这类材料可能具备温度响应型形状记忆功能，为智能复合材料开发提供新方向。

这项研究证实了废弃椰壳纤维与蓖麻油基聚合物组合在轻量化结构应用中的潜力，通过优化界面处理和材料选择，可以实现力学性能与环境可持续性的双赢。特别是CO-CoRAL-T1展现出优异的比力学性能和生态效率，为交通、建筑等领域的可持续材料解决方案提供了可靠选择。