基于纱线内混合亚麻/玄武岩纤维的三维编织织物增强热塑性复合材料的制备及其机械性能的提升

《Industrial Crops and Products》：Preparation and improved mechanical properties of three-dimensional woven fabrics reinforced thermoplastic composites based on intra-yarn hybrid flax/basalt fibers

竹纤维（HSBF）通过氢过氧化法提取并树脂预处理（RPC）改善其水稳定性，制备的竹纤维环氧复合材料（BFRECs）拉伸强度达628 MPa，Young’s模量62.4 GPa，显著优于多数生物复合材料，且RPC处理有效缓解了湿热循环对性能的劣化。

　　竹纤维（Bamboo Fiber, BF）作为一种具有广泛应用前景的天然纤维，因其丰富的原材料、低成本、可持续性和环保特性而备受关注。近年来，随着对环保材料需求的增加，研究人员不断探索如何通过技术手段提升竹纤维的性能，使其能够更好地替代传统的合成纤维材料，如碳纤维、玻璃纤维和钢纤维。本研究通过一种高效提取方法获取了高强度竹纤维（High-Strength Bamboo Fiber, HSBF），并引入了一种简单的树脂预涂（Resin Precoating, RPC）处理工艺，以增强其防水性能。通过一系列实验测试，研究验证了RPC处理对HSBF及其复合材料性能的积极影响，并展示了其在实际应用中的潜力。

### 竹纤维的特性与应用潜力

竹纤维是一种天然的植物纤维，属于禾本科（Poaceae）的竹亚科（Bambusoideae），以其快速生长和可再生性著称。竹子可以每天生长约1米，高度可达30米，因此成为一种重要的可持续资源。竹纤维具有天然的生态优势，无需重新种植、无需施加化肥和农药，也不需要专业人员维护，这种特性使其在环保材料领域占据重要地位。此外，竹纤维在传统工艺中被广泛用于制造日常工具，而如今，它也被视为复合材料工业中的重要资源。

在机械性能方面，竹纤维与合成纤维相比，虽然其天然的纤维结构决定了其在某些方面可能略逊一筹，但通过适当的处理工艺，可以显著提高其性能。例如，研究中提到的HSBF具有高达1.27±0.063 GPa的平均抗拉强度和72.6±4.9 GPa的杨氏模量，这些数值远高于常见的天然纤维，甚至接近部分高强度合成纤维。这表明，经过优化提取和处理的竹纤维在机械性能方面具有巨大的提升空间，为开发新型复合材料提供了可能。

### HSBF的提取与处理方法

HSBF的提取过程主要依赖于化学脱木质化方法。具体而言，研究使用了氢氧化钠、过氧化氢和甲酸的混合溶液，通过适当的温度和时间条件，去除竹子中的木质素和半纤维素，保留丰富的纤维素。这一过程使得HSBF的直径范围达到0.06 mm至0.32 mm，其中大部分纤维的直径集中在0.12 mm至0.18 mm之间。通过这种提取方式，HSBF的表面得到了充分的清洁，同时保留了其原有的纤维结构，为后续的表面处理奠定了基础。

为了进一步提升HSBF的性能，研究引入了一种树脂预涂（RPC）处理工艺。RPC方法利用乙醚作为溶剂，将高粘度环氧树脂稀释后涂覆在纤维表面，随后通过干燥处理形成一层防水膜。这种处理方式不仅有效降低了HSBF的吸水率，还改善了其在湿热环境下的稳定性。实验结果表明，RPC处理能够将HSBF的吸水率降低约40%，显著提升了其在湿热循环测试中的表现。

### 水分对竹纤维性能的影响

水分对天然纤维的影响不容忽视，尤其是在湿热环境下，竹纤维容易吸水，导致其机械性能下降。研究表明，竹纤维的吸水性与其化学组成密切相关，特别是其中的半纤维素含量较高，使得其在潮湿条件下容易发生膨胀和结构破坏。这种现象不仅会影响纤维本身的强度，还会导致其与聚合物基体之间的结合力下降，进而影响复合材料的整体性能。

为了评估水分对HSBF及其复合材料的影响，研究进行了水吸收测试和湿热循环测试。水吸收测试显示，未经处理的HSBF在5分钟内即可达到饱和，而经过RPC处理的HSBF则在更短时间内表现出更低的吸水率。湿热循环测试进一步揭示了水分对纤维性能的长期影响。在经历了多次湿热循环后，未经处理的HSBF的抗拉强度和杨氏模量分别下降了32%、39%和48%，而RPC处理的HSBF则表现出更小的性能下降幅度，分别为32%、37%和40%。这表明，RPC处理能够在一定程度上缓解水分对纤维性能的损害，但无法完全防止其影响。

### HSBF复合材料的性能表现

在获得高质量的HSBF之后，研究进一步将其应用于环氧树脂复合材料的制备，即竹纤维增强环氧树脂复合材料（Bamboo Fiber Reinforced Epoxy Composites, BFRECs）。通过将HSBF与环氧树脂结合，研究成功制备了具有较高机械性能的复合材料。测试结果显示，BFRECs的平均抗拉强度达到628 MPa，杨氏模量为62.4 GPa，这不仅优于许多其他天然纤维复合材料，还达到了部分低等级合成纤维增强复合材料的水平。

为了进一步验证RPC处理对复合材料性能的影响，研究进行了沸水测试。在沸水条件下，未经处理的BFRECs的抗拉强度和杨氏模量分别下降了46%和59%，而经过RPC处理的BFRECs则表现出更小的性能损失，分别为37%和46%。这一结果表明，RPC处理能够有效提升复合材料在潮湿环境下的性能稳定性，为其实用性提供了保障。

### 实验方法与测试手段

为了全面评估HSBF和BFRECs的性能，研究采用了多种实验方法。首先，通过扫描电子显微镜（SEM）对HSBF的形态和化学组成进行了分析。实验结果显示，HSBF的表面经过RPC处理后形成了均匀的树脂层，有效减少了水分的渗透。其次，进行了水吸收测试，以评估不同处理方式对纤维吸水率的影响。测试发现，RPC处理能够显著降低HSBF的吸水率，提高其水分稳定性。

此外，研究还进行了湿热循环测试，以模拟实际应用中可能遇到的水分环境。测试结果显示，经过RPC处理的HSBF在多次湿热循环后仍能保持较高的抗拉强度和杨氏模量，表明其具有较好的耐水性。最后，通过抗拉强度测试评估了BFRECs的机械性能。测试结果表明，RPC处理的HSBF能够有效提升复合材料的性能，使其在湿热条件下仍能保持较高的强度和模量。

### 结论与应用前景

本研究成功开发了一种高效的HSBF提取方法，并结合RPC处理技术，显著提升了竹纤维的性能。HSBF不仅具有较高的抗拉强度和杨氏模量，还表现出良好的防水性能，使其在潮湿环境中具有更好的应用潜力。同时，RPC处理的HSBF在制备复合材料时，能够有效改善其与环氧树脂之间的结合力，提高复合材料的整体性能。

研究结果表明，HSBF及其复合材料在多个方面优于传统合成纤维，特别是在可持续性和环保性方面具有明显优势。这使得HSBF成为一种具有广阔应用前景的新型材料，尤其是在需要高强度和良好耐水性的工程领域，如桥梁、道路、隧道等。未来，随着对环保材料需求的不断增长，HSBF及其复合材料有望在建筑、交通和电子等行业中得到更广泛的应用。