碱处理棉秆皮纤维与纳米二氧化硅增强聚乳酸复合材料的力学与形态性能：制备与表征

《Polymer Engineering & Science》：Mechanical and Morphological Properties of Alkali-Treated Cotton Stalk Bark Fiber and Nano-Silica Reinforced Polylactic Acid Composites: Fabrication and Characterization

农业废弃物棉秆皮纤维经碱处理、KH550功能化及纳米二氧化硅沉积后，作为生物复合材料的增强相可显著提升PLA基复合材料的力学性能，弯曲强度达136.78MPa，模量3.87GPa，为可持续复合材料制造提供新方案。

　　

摘要

自然资源的过度开发和日益严重的环境问题激发了人们对开发环保材料的浓厚兴趣。每年产生的大量农业副产品可作为生物复合材料制造的可持续填充材料。棉秆皮纤维（CSBF）是一种含有约41%纤维素的农业副产品，具有较高的强度和模量，因此成为聚乳酸（PLA）聚合物基体的理想增强材料。为了优化复合材料的界面粘附性，我们采用了三步改性方法：碱性处理、硅烷偶联剂（KH550）功能化以及疏水性纳米二氧化硅沉积。随后通过注塑成型制备了含有10–30% CSBF的复合材料。通过粒径分布分析、光谱学（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）形态表征和机械性能评估，系统研究了界面改性机制及其对PLA机械性能的影响。实验结果表明，CSBF的加入显著提升了PLA复合材料的机械性能，尤其是在抗弯强度和模量方面。含有20%改性CSBF的复合材料抗拉强度达到了61.45 ± 2.43 MPa，比纯PLA提高了14%；抗弯强度提升了25.8%，达到136.78 ± 1.21 MPa；模量提高了36.3%，达到3.87 ± 0.02 GPa。这些发现证实了CSBF能有效增强聚合物的机械性能，为复合材料制造提供了一种可持续的、环保的合成纤维替代品。