乙酰化及漂白龙舌兰纤维接枝苯乙烯制备高性能生物复合材料：一种增强热机械性能的新策略

《South African Journal of Chemical Engineering》：Fabrication and characterization of biocomposites from acetylated and bleached Agave atroverance L. fibers by grafting of styrene to enhance their thermomechanical, physicochemical, and morphological properties: A new approach

本文针对天然纤维亲水性强、力学性能不足等问题，研究了从龙舌兰（Agave atroverance L.）废弃物中提取纤维，并通过乙酰化、漂白及苯乙烯接枝共聚改性，成功制备了具有优异热机械性能、理化性质和形貌特征的新型生物复合材料。该研究为开发可持续、高性能的生物基材料提供了新思路，对替代石油基合成材料具有重要意义。

　　

随着人口增长和城市化进程加速，人们对工业产品的需求日益增加，其中大部分消费品是由不可生物降解的化石基塑料和聚合物制成。这些合成塑料或聚合物材料在使用过程中会释放大量微纳米塑料，对土壤、水和空气造成污染，进而通过食物链进入生物系统，威胁人类、动物和水生生态系统的健康安全。因此，急需开发可持续、环境友好的生物基复合材料来替代这些有害的石油基合成材料。天然植物纤维因其可再生、低毒、可生物降解等优点而备受关注，但其固有的亲水性、较差的耐湿性和力学性能限制了其广泛应用。

为了克服天然纤维的上述局限性，研究人员开展了一项创新性研究，以龙舌兰（Agave atroverance L.，俗称Pulque）废弃叶片为原料，通过水浸渍法提取纤维，并对其进行乙酰化、漂白及苯乙烯接枝共聚改性，系统评价了改性前后纤维的理化性质、热机械性能和形貌特征。该研究旨在开发一种新型多功能生物复合材料，为可持续环境发展提供新材料选择。相关成果发表在《South African Journal of Chemical Engineering》。

本研究采用的主要关键技术方法包括：从龙舌兰废弃物叶片中通过水浸渍法提取原始纤维；对纤维进行皂化洗涤以去除表面杂质；采用乙酰化和漂白（使用NaClO₂）对纤维进行化学改性；以过硫酸钾（K₂S₂O₈）和过硫酸铵（(NH₄)₂S₂O₈）为引发剂，在硫酸亚铁（FeSO₄·7H₂O）催化下，对改性纤维进行苯乙烯接枝共聚；利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、热重分析（TGA）、差热分析（DTA）和微分热重分析（DTG）对样品进行表征；通过万能试验机（UTM）测试其力学性能。

4.1. FTIR光谱分析

FTIR分析表明，所有处理的AALF纤维在3250-3750 cm^?1处均出现氢键结合的羟基（–OH）伸缩振动峰。经苯乙烯接枝后，在1400-1600 cm^?1范围内出现芳香环C=C伸缩振动特征峰，在750-1000 cm^?1处出现烯烃基团吸收峰，证实苯乙烯成功接枝到纤维表面。乙酰化 grafted 纤维在1785 cm^?1附近出现酯羰基（ν_C=O）特征峰，说明乙酰化反应引入酯基。

4.2. SEM分析

原始AALF纤维表面存在大量杂质和裂隙，结构较为致密。经漂白和乙酰化处理后，纤维表面出现微孔和皱纹，杂质被有效去除，表面变得粗糙。接枝苯乙烯后，纤维表面更加光滑、均匀，微孔被填充，形成致密非孔结构，表明苯乙烯单体成功覆盖纤维表面，形成均匀复合材料。

4.3. 热性能分析

TGA/DTA/DTG分析显示，接枝后纤维的热稳定性显著提高。乙酰化 grafted 纤维在600°C时残炭率最高（22.4%），最大质量损失率最低（0.440 mg/min）。其热稳定性顺序为：乙酰化 grafted > 漂白 grafted > 乙酰化 > 漂白 > 原始纤维。DTA曲线显示，接枝纤维在高温区（约367°C）出现明显的吸热峰，对应于纤维主链的降解。

4.4. 力学性能分析

力学测试表明，乙酰化 grafted 纤维的拉伸强度最高（289.23±0.09 MPa），杨氏模量达到3410.18 MPa，但断裂伸长率最低（18.06%），说明材料刚性增强、韧性下降。漂白 grafted 纤维的拉伸强度为256.46 MPa，杨氏模量为1519.44 MPa。接枝处理后，纤维的疏水性和界面结合能力显著提升，力学性能得到整体改善。

研究结论表明，通过对龙舌兰纤维进行乙酰化、漂白及苯乙烯接枝改性，可显著提高其热稳定性、力学强度和疏水性。乙酰化 grafted 纤维表现出最优异的综合性能，其拉伸强度和热稳定性均优于其他处理组。该研究为利用废弃生物质资源开发高性能、环境友好的复合材料提供了新途径，在生物塑料、食品包装、生物医学和废水处理等领域具有广阔应用前景。然而，苯乙烯作为挥发性有机化合物（VOC）存在一定的环境和健康风险，未来研究应致力于开发更绿色的单体系统，进一步提升生物复合材料的环境可持续性。