处理完成 新型野番石榴树皮纤维作为可持续聚合物复合材料增强体的表征研究

本研究探索了野番石榴(Careya arborea Roxb., CAR)树皮纤维作为聚合物复合材料潜在增强体的应用。通过化学处理(氢氧化钠、高锰酸钾和硬脂酸)显著改善纤维性能，其中0.05% KMnO4处理3分钟效果最佳，抗拉强度达96.7 MPa，结晶度指数为73.5%，展示了CAR纤维在汽车内饰和包装材料等可持续应用中的巨大潜力。

　　

引言

Careya arborea Roxb. (CAR)，又称野番石榴，是一种属于Lecythidaceae科的小到中等落叶乔木。这种植物在印度乌杜皮和芒alore地区具有重要的文化和药用价值，但其作为纤维增强材料的潜力此前尚未被科学研究过。随着对可持续和环保材料需求的增长，研究人员开始探索天然纤维作为聚合物复合材料的可行增强体。传统的合成纤维如碳纤维、玻璃纤维和尼龙虽然广泛应用于复合材料中，但由于成本高、不可生物降解以及健康危害等问题，引发了对其环境影响的关注。相比之下，天然纤维具有重量轻、密度低、易加工和环境安全等优点，成为有吸引力的替代品。然而，天然纤维也面临热稳定性低、亲水性强以及与聚合物基质相容性有限等挑战，这些问题可通过化学表面改性来改善。

植物来源的纤维主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，这些成分的比例受提取方法、植物成熟度、气候和地理位置等因素的影响，进而影响其增强潜力。近年来，黄麻、椰壳、苎麻、菠萝叶(PALF)和红麻等木质纤维素纤维作为合成增强材料的替代品引起了广泛关注。这些纤维的优势包括低成本、加工工具磨损最小以及可回收性。此外，对秋葵、黄蜀葵和洋蓟纤维的研究也表明，将非常规纤维纳入聚合物复合材料是可行的。

本研究重点考察了CAR纤维的晶体结构和形态特征，强调了化学处理对其在聚合物基质中强度、稳定性和相容性的影响。通过化学分析、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)和表面形貌评估等多种表征技术，分析了未经处理和经化学处理的纤维在结构和组成上的变化。研究还通过拉伸测试评估了CAR纤维的力学性能，深入了解其在复合材料应用中的适用性。

材料与方法

纤维提取

通过在树干上制造楔形缺口并小心地将带有纤维的树皮拉下来，手工从树干上提取树皮。在印度卡纳塔克邦乌杜皮县Hiriadka村的森林中收集了足够的树皮用于表征。纤维提取过程包括用蒸馏水彻底清洗去除泥土和灰尘，然后在室温下浸泡24小时软化韧皮部，接着用钢丝刷去除树皮。为了便于纤维分离并通过微生物降解消除不需要的物质，纤维进一步在水中浸泡3周。分离后，纤维在60°C的热风烘箱中干燥8小时直至完全去除残留水分。

化学处理

基于广泛的文献调研，选择了三种化学品来处理纤维以提高CAR纤维的力学性能：氢氧化钠(NaOH)、高锰酸钾(KMnO₄)和硬脂酸。碱处理使用3%的NaOH溶液在室温下分别处理6、12、18和24小时。KMnO₄处理使用0.01%、0.05%和0.1%的KMnO₄-丙酮溶液处理3分钟。硬脂酸处理使用3%的硬脂酸-乙醇溶液处理18、24和36小时。所有处理后的纤维都经过充分洗涤并在60°C下干燥8小时。

CAR纤维的理化和力学表征

通过重力分析法测定CAR纤维的化学组成，该技术利用基于重量的测量来评估纤维组成。通过中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)和酸性洗涤木质素(ADL)分析来检验CAR纤维在复合材料中的适用性和结构完整性。使用Shimadzu IRSpirit红外光谱仪进行FTIR分析，检测范围为4000至500 cm^-1。使用Rigaku Miniflex 600 X射线衍射仪分析纤维的晶体结构，采用公式CI = (I_C - I_AM)/I_C × 100计算结晶度指数。使用Contech Instruments Ltd.的分析天平通过阿基米德原理测定纤维密度。使用Zwick Roell Z020万能试验机按照ASTM D3822标准进行拉伸强度测试。使用ZEISS EVO18扫描电子显微镜分析纤维表面形貌。

结果与讨论

化学性质分析

重力分析显示，纤维素是CAR纤维的主要成分(62%)，这对机械强度和结晶度都有重要贡献。半纤维素含量较低(0.71%)，而木质素含量为34.7%。与其他常用的纤维素基天然纤维相比，CAR纤维的纤维素含量超过了Kigelia africana (61.5%)、Ficus religiosa树(55.58%)、Althaea officinalis L. (44.6%)、Opuntia ficus-indica (25%)和Piliostigma racemosum (60.3%)。

物理性质分析

未经处理的纤维(UT)密度最高，为1.1 g/cm3，反映了天然杂质如木质素、半纤维素和表面蜡的存在。经处理的纤维中，SA2纤维的密度略低(1.01 g/cm3)，SH3纤维的密度为0.97 g/cm3，PP2纤维的密度最低(0.95 g/cm3)。

FTIR分析</h3>