龙舌兰连续原纤维增强聚酯复合材料的开发与性能表征及其在可持续材料中的应用前景

本综述推荐了一种由龙舌兰（Agave angustifolia var. marginata，FAAM）连续原纤维增强不饱和聚酯复合材料的研究。该研究系统评估了纤维含量（10%、20%、30%）对复合材料力学性能（拉伸强度提升293%，冲击能量吸收率提高11544%）、热稳定性（达300°C）及吸水性的影响。扫描电镜（SEM）显示纤维与基质界面粘附良好，纤维作为裂纹屏障与偏转器显著增强力学行为。结果表明FAAM是合成纤维的可持续替代品，特别适用于高冲击能量吸收和中度拉伸强度需求的领域。

　　

引言

近年来，复合材料因其多功能特性，在从先进工业到传统工业领域的多个行业中成功替代了金属、木材和塑料等传统材料。复合材料通过将两种或更多性质不同的材料组合，获得优于初始组分的单一产品。通常，为增强聚合物的强度和刚度，碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维作为增强组分在环氧或聚酯等聚合物基质中应用广泛。然而，合成纤维的高成本、化石燃料的稀缺以及对可再生性和环境可持续性的新需求，促使人们寻找可持续和环保的增强替代品。

天然纤维（NFs）从可再生和丰富的来源中提取，作为聚合物基质中的增强组分，提供了机械性能和生物可降解性的独特组合。研究已经对多种天然纤维增强的聚酯基质复合材料进行了探讨，如聚酯-黄麻、聚酯-剑麻、聚酯-红麻、聚酯-菠萝纤维、聚酯-库拉索纤维、聚酯-椰子纤维、植物海绵、咖啡渣和聚酯-香蕉纤维等。其中，龙舌兰（Agave angustifolia var. marginata）纤维作为一种新型增强剂，提取自龙舌兰属植物，在中美洲被用作蒸馏饮料的原料，而在其他地区如巴西仅作为观赏植物。这种具有“未知”纤维叶的植物可探索用于复合材料领域的其他应用。

材料与方法

植物纤维

龙舌兰植物的叶片采集自巴西圣埃斯皮里图州南部地区。收集后，去除边缘和尖端的刺，并用水清洗叶片表面杂质。纤维提取采用手动双辊压榨工艺，之后将叶片浸泡在水中至少15小时以去除叶片中的不良部分。随后，叶片被刮擦，手动取出5厘米长的小束，并在流动水下清洗以完全去除粘液。清洁后，纤维在环境条件下干燥。

聚酯树脂

研究使用不饱和聚酯树脂（ARAZYN）和丁烷氧化物催化剂（M-50），由Redelease（圣保罗，巴西）提供。固化过程中，催化剂按制造商推荐比例添加：每100克聚酯树脂添加2克催化剂。

聚合物复合材料样品制备

获得的纤维风干后，在60°C的空气循环烘箱中放置3小时，然后切割成两种长度：112毫米用于拉伸测试样品，70毫米用于冲击测试样品。复合材料样品在硅胶模具中制备，添加10%、20%和30%重量比的纤维，基于模具体积和聚酯树脂的密度（1.1 g/cm³）计算。样品的预设尺寸符合拉伸测试（ASTM D638）和夏比冲击测试（ASTM D6110）标准。

树脂和催化剂的混合物手动制备约3分钟，然后放置在模具底部，随后添加定向纤维。剩余的混合物（树脂与催化剂）被倒入以确保纤维的润湿性和纤维与树脂的接触。此过程借助木棒完成。之后，模具放置在90 Psi（等静压）的压力反应器中24小时以完成聚合过程。每种组成制备五个样品，0、10、20和30重量百分比的FAAM用于拉伸和冲击测试。

傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析聚合物复合材料样品的化学组分。光谱使用Bruker光谱仪（Tensor 27型号）获得，中红外区域频率范围4000–400 cm^?1，分辨率4 cm^?1。采用衰减全反射（ATR）技术分析通过40目筛并保留在60目筛中的粉末样品。

热分析（TGA/DTG）

通过热重分析（TGA）及其导数（DTG）验证复合材料的热降解行为。样品通过40目筛并保留在60目筛中。分析使用Setaram热重分析仪（LabSys Evo型号）。样品在氮气氛围下从室温加热至600°C，加热速率10°C/min。

拉伸测试

为分析最大拉伸应力，每种组成制备五个样品，符合ASTM D638标准。样品在室温下使用DL 10,000 EMIC型号万能测试机进行拉伸测试直至样品破坏，十字头速度1 mm/min，负载单元5000 N。从获得的结果中，评估拉伸强度、弹性模量和变形性能。

扫描电子显微镜（SEM）

通过扫描电子显微镜（SEM）在二次电子模式下分析复合材料断裂表面，使用JEOL JSMIT200型号。分析前，样品首先固定在金属底座上，并涂覆薄层金以促进样品导电性。

冲击测试（夏比）

冲击测试在室温下使用XJ系列冲击测试机进行，使用锤摆，冲击速度2.9 m/s。样品中心使用手动切槽器（CEAST品牌，Notchavas型号）制作缺口，深度2.5厘米，角度45°，符合ASTM D6110标准。每种重量百分比的纤维制备五个样品。

水吸收

为确定复合材料的水吸收能力，样品基于ASTM D570指南暴露于连续湿度。五种不同纤维浓度的样品最初在105°C烘箱中干燥1小时，在干燥器中冷却，并在精密分析天平（10^?4 g）上称重。随后，复合材料在环境条件下浸入蒸馏水中，并保持35天。在浸入的第1、3、7、14、22、28和35天，样品在23°C下用吸水纸干燥并再次称重。样品吸收的水百分比通过湿样和干样之间的重量差获得，根据公式：重量增益（%）= (Wu - Ws) / Ws * 100，其中Wu和Ws分别表示湿样和干样的重量。

统计处理

为比较样品组的分布，使用方差分析（ANOVA），并进行Tukey检验以验证显著差异，使用PAST软件。FAAM在聚合物基质中的浓度是因变量，进行显著或非显著的方差计算。所有测试均以95%概率进行。

结果与讨论

傅里叶变换红外光谱（FTIR）中红外范围

为分析材料的化学结构，展示了不同纤维含量增强复合材料的FTIR分析光谱。纯聚酯和不同纤维含量增强复合材料的光谱特征相似。OH键可能发生在木质纤维素结构中的相邻分子之间（分子间）或同一分子的不同部分之间（分子内）。OH键对应的区域由3400至3200 cm^?1之间的广泛波段表示，在NF增强复合材料中存在，对20重量百分比FAAM复合材料更宽和更明显。在此吸收波段范围内，分子内OH键（3460–3405 cm^?1和3375–3340 cm^?1）和分子间OH键（3310–3230 cm^?1）可归因于龙舌兰纤维的结构。分子间键的发生在纤维素分子和链之间高度 favored，可能通过聚酯和纤维之间的相互作用发生。2963–2856 cm^?1范围可与FAAM和聚酯的C-H键伸缩振动关联。2367 cm^?1附近的波段指分析过程中大气中存在的CO₂。1722 cm^?1和1720 cm^?1的峰值对应羰基C=O的伸缩振动。1599 cm^?1和740 cm^?1附近的反射波段与芳香核C=C的伸缩相关，由于聚酯树脂中的不饱和和苯乙烯单体中的乙烯基 group。1260 cm^?1和1117 cm^?1附近的波段与连接脂肪族和芳香族基团的C-O-C键的伸缩振动相关。在20%复合材料中，798 cm^?1处有一个清晰峰值，可能与聚酯树脂和纤维之间的某种相互作用相关。700 cm^?1附近的峰值归因于芳香环C-H键的面外弯曲。

热重分析（TGA）及其导数（DTG）

热重曲线显示了聚酯和10、20、30重量百分比FAAM复合材料发生的热事件。在25°C至123°C之间有一个几乎不可察觉的阶段，与脱水导致的水分损失相关。最显著的阶段对应聚酯和复合材料的热降解，起始温度接近250°C，从约325°C开始变得剧烈。材料 up to 300°C的质量损失非常低，微不足道。因此，聚酯和复合材料在 up to 约300°C表现出良好的热稳定性。

总体而言，FAAM木质纤维素纤维的插入为聚合物复合材料提供了更高的热稳定性。这种行为可通过DTG曲线更好观察，其中最大降解梯度点被识别为聚酯和复合材料，分别发生在372°C和410°C温度，残留质量45%。显然，纤维增强复合材料的热性能受FAAM添加到聚酯基质的影响极小，正如其他使用木质纤维素纤维的工作中所观察到的。关于剩余材料，复合材料和聚酯之间没有明显趋势；20重量百分比纤维的复合材料在600°C时具有最高残留质量，达13%，而30重量百分比纤维的复合材料仅剩余4%。

拉伸强度的机械性能

图表描绘了纯聚酯和10、20、30% FAAM增强复合材料的特征应力-应变曲线。从代表性曲线中观察到，复合材料表现出比纯聚酯更高的刚度。曲线的斜率表明，这种增加是通过将纤维纳入聚合物基质实现的，可见，复合材料的刚度也随着FAAM含量的增加而增加。

根据图表，增加纤维含量导致更高的拉伸强度值，这些值与Ramakrishnan等人报告中相当，并在某些情况下超过。在他们的工作中，20毫米纤维的加入导致拉伸强度增加40%，当纤维体积达到30%时。这种趋势仅在20毫米纤维长度下观察到，拉伸强度值31.5、40.2和47.4 MPa对应10%、20%和30%纤维体积分数，在两个加载方向上。

相比之下，本研究证明使用单向长纤维显著增强复合材料的拉伸机械性能， yield 拉伸强度值42.39 MPa、76.02 MPa和107.58 MPa对应10%、20%和30%纤维含量。

将10重量百分比FAAM添加到聚酯基质导致拉伸强度增加56%。对于20重量百分比FAAM复合材料，观察到平均增加180%，而30重量百分比增强显示相比纯聚酯基质增加293%。长纤维还提供了积极的增强效果，因为连续和定向纤维束可以在纵向支持更高负载。在一项关于龙舌兰（蓝色龙舌兰）纤维增强聚酯复合材料的研究中，Binoj和Bibin报告了拉伸强度值26.41、31.85、39.62和44.21 MPa对应10、20、30和40重量百分比纤维含量。对于拉伸模量，作者观察到类似趋势，属性值随着纤维含量增加而增加。当比较本研究结果与文献报告时，变得明显， both 百分比增加和绝对拉伸强度值在这里显著更高。这种改进可归因于长纤维 enabled 的更好负载分布，以及纤维/基质界面的影响，如将基于SEM图像讨论。此外，纤维的高机械强度是另一个 potential 因素 contributing 复合材料性能增强。这由复合材料中观察到的 increased 刚度进一步支持，如比纯聚酯更高的弹性模量值所证明。

观察方差分析表，聚合物与10重量百分比FAAM复合材料的拉伸强度值之间没有显著差异。然而，20和30%纤维复合材料彼此之间以及与纯聚酯有显著差异，确认这些含量的加入作为增强剂改善了复合材料的机械强度。

图表说明，平均韧性值随着纤维含量的添加而增加，由于材料强度的增加；然而，这发生在当纤维含量 above 10重量百分比被纳入时。对20%和30%纤维组成观察到平均韧性的实质性增加142%和234%，表明复合材料材料的拉伸能量吸收增加。

统计比较 presented 在方差分析表中显示30%纤维复合材料与10%和20%纤维复合材料之间有显著差异。值得注意的是，吸收施加负载能量的能力随着纤维插入聚合物而增强。FAAM复合材料拉伸属性的显著结果来自负载转移效率 enabled 通过纤维和聚酯基质之间的粘附，允许应力从基质到纤维的均匀转移。

当关联弹性模量图表与应力曲线时，观察到刚度属性的相同行为，弹性模量增加 up to 900%当比较纯聚酯与30重量百分比纤维增强复合材料时。统计比较表明FAAM增强复合材料与纯聚酯之间有显著差异，确认纤维纳入聚合物增加复合材料的刚度和弹性模量。

10、20、30%纤维和纯聚酯增强复合材料材料的最大变形显示在图表中。注意到纯聚酯表现出更高的变形值，这与其塑性变形能力相关，而复合材料材料弹性变形由于构成它们的纤维的脆性。基于方差分析表，观察到复合材料之间的最大变形值没有显著差异；然而，由于聚酯表现出更高的变形属性，当与10、20和30%复合材料比较时有显著差异。

断裂表面分析

光显微图通过扫描电子显微镜（SEM）获得，旨在评估复合材料材料的界面粘附、拉伸断裂表面和基质与纤维之间的兼容性。

从分析中，可以观察复合材料的断裂机制，如裂纹通过基质传播（箭头），而FAAM作为有效屏障停止或偏转来自基质的裂纹， consequently 增加吸收能量。这些断裂机制导致应力-应变曲线斜率的变化，当应力转移到纤维时。

显示在光显微图中的表面指示纤维/基质粘附。纤维和基质之间的界面相互作用是影响复合材料机械性能的因素。图表显示基质中空隙的存在，由红色箭头标记。在这些区域，纤维表面与基质粘附不良，导致由于基质和纤维之间兼容性差而纤维 detachment。当拔出发生且其高度超过自由纤维 detachment 的临界长度时，通常发生界面失败。存在 above 断裂表面的长纤维，即基质外的纤维，长度大于临界长度，可能与不良界面粘附相关。这个方面也被Thirumalaisamy和Subramani观察到。弱粘附可以在图表中标记的纤维周围看到，由于纤维-基质界面处 gaps 的存在（红色箭头）。同时，绿色箭头突出显示纤维-基质周围区域，那里有良好的界面相互作用。此外，图表显示纤维断裂在复合材料失败表面水平， yet 可以通过绿色箭头指示注意到FAAM与基质粘附良好。这表明纤维和基质之间的强粘附，导致应力从基质转移到纤维，如增加的断裂区域所证明，其中可见纤维拔出的数量不显著，允许发生良好的界面相互作用。尽管仍然可以观察到低表面粘附点，图像清楚表明 overall 纤维与基质有 excellent 粘附， something 未预期对于木质纤维素纤维，因为重要的是提到这些纤维没有经历任何化学或物理处理。这种界面粘附归因于复合材料固化过程中使用等静压。

冲击机械性能（夏比）复合材料

夏比冲击测试获得的结果 presented 对于聚酯复合材料增强与FAAM，在10、20和30重量百分比，显示在图表中。数据揭示了复合材料 notable 能量吸收能力。从图表中，明显随着纤维在聚酯基质中浓度的增加，吸收冲击能量也增加，值3.6、9.8和20.3 kJ/m²对应10、20和30重量百分比纤维的复合材料。与纯聚酯相比，添加纤维的百分比增加为1,992、5,513和11,544%对应 respective 10、20和30重量百分比纤维的复合材料。30重量百分比纤维增强复合材料吸收最高量的冲击能量。统计分析表明所有10、20和30%复合材料彼此之间以及与纯聚酯有统计差异。

一项关于环氧复合材料增强与0、5、10、15、20、25和30重量百分比剑麻纤维的性能评估分析显示，20重量百分比纤维的复合材料提供最高的吸收冲击能量值。这种关于最高纤维含量复合材料不吸收最高能量量的差异与几个因素相关，这些因素 contributing 木质纤维素纤维增强复合材料具有不良冲击属性，如较低纤维强度、纤维中的微观结构缺陷、制造过程中 induced 缺陷、弱纤维/基质界面粘附和非均匀纤维横截面。Bruton等人断言冲击属性的改进与纤维和基质之间的良好粘附关联。

在一些30重量百分比纤维的复合材料中，发生了一种分层断裂类型，如可见图表（箭头）。这种机制在较高纤维含量的复合材料中常见，并且在这种情况下可能与树脂和纤维之间在制造过程中不良润湿性相关，或良好的界面粘附因为裂纹遇到传播困难并创建优先路径，这些路径将与更高冲击能量关联。值得注意的是，长纤维复合材料表现出纤维断裂、基质失败和分层作为渐进失败期间的失败机制，这通常在此类调查中正常。

尽管发生分层机制，复合材料显示出比纯聚酯基质更高的冲击阻力。混合环氧复合材料与橄榄叶颗粒增强与菠萝叶纤维（PALF）、环氧/PALF和环氧/橄榄叶颗粒复合材料被分析冲击阻力。作者观察到随着PALF在混合复合材料中添加从10重量百分比到20重量百分比和30重量百分比，冲击阻力增加57%和97% respectively。对于聚酯复合材料增强与龙舌兰，Binoj和Bibin观察到随着每次重量添加纤维，冲击阻力改进直到40重量百分比增强被纳入基质。这证明插入木质纤维素纤维如龙舌兰变种 marginata 和其他物种促进聚酯复合材料冲击属性的显著改进。复合材料的冲击响应高度受界面粘附强度、基质和纤维属性影响。

水吸收

天然纤维增强复合材料材料应用的一个限制因素是它们对水分吸收的低阻力。当暴露于潮湿环境时，纤维和基质之间的相互作用受到影响，导致它们的机械性能减少。

图表显示了聚酯和FAAM增强复合材料在35天内观察到的水吸收行为。如指示，所有样品表现出类似的吸收模式，最初经历快速吸收直到达到饱和 around 第14天。

观察图表，推断聚酯表现出较低的水分吸收水平，约1.5%质量增加 after 35天浸入。对于复合材料，水吸收行为随着纤维含量的增加而增加；类似趋势也被Ramakrishnan等人和Prasad等人报告用于 in natura 龙舌兰纤维增强复合材料的水吸收。这种模式常见由于纤维的亲水性，允许水分子和纤维素中自由羟基之间形成氢键。因此，更高纤维量增加水分吸收由于更多可用羟基。此外，较高纤维浓度表现出较低聚酯树脂润湿性和较高纤维-纤维相互作用发生率。然而，值得注意的是所有复合材料表现出低水吸收值，这不排除它们在许多工程应用中的使用。尽管如此，纤维吸收的水可以促进聚酯基质的水解，导致聚合物链断裂和 consequently 复合材料整体结构完整性减少。因此，即使少量水分吸收可能显著损害这些材料的性能，使它们不适合高湿度环境中的应用。尽管如此，需要进一步研究以理解天然纤维增强复合材料材料的水分吸收特性。

结论

基于以上 presented 结果，可以得出结论：

FAAM增强复合材料的红外光谱组成与聚酯光谱相似，有一些吸收波段变化归因于基质和纤维之间的相互作用。

虽然热稳定性比聚酯差，FAAM提供复合材料稳定性的相对较小变化， such that both 聚酯和复合材料表现出良好的热稳定性 up to 约300°C。

添加FAAM作为不饱和聚酯基质中的增强显著增加复合材料的机械强度，30重量百分比FAAM的纳入证明机械效率最高，增加293%。

基质和纤维之间的界面粘附，可能由复合材料的润湿性和固化过程引起，导致10%、20%和30%组成的改进和更大冲击能量吸收， respective 增加1,992%、5,513%和11,544%。

复合材料的水分吸收随着纤维在聚合物基质中含量的增加而增加。这种模式常见，由于龙舌兰变种 marginata 纤维的亲水性。

FAAM在聚酯基质中的插入改善了拉伸和冲击机械性能与无纤维添加的基质相比。这表明连续和定向FAAM纤维具有良好的增强属性，可应用于结构聚合物复合材料材料的制造。然而，需要进一步研究以启用这种材料的应用。