化学分离长蒴黄麻（Corchorus olitorius）茎纤维与可可豆荚壳木质素增强混合环氧生物复合材料的承载性能与失效分析

《Next Materials》：Load-bearing performance and failure analysis of hybrid epoxy biocomposites reinforced with chemically isolated corchorus olitorius stem fiber and coco pod husk lignin

　　

本研究旨在通过将可可豆荚壳（coco pod husk）衍生的木质素（lignin）作为生物填料（bio-filler）以及硅烷处理（silane treatment）的长蒴黄麻（Corchorus olitorius）茎纤维作为增强体，开发可持续的环氧基天然纤维复合材料，以提升其力学、热学、耐湿性及摩擦学性能。研究人员采用经处理与未处理的纤维制备了含有不同木质素含量（2–6 vol%）的复合材料，以评估硅烷改性（silane modification）与木质素掺入的协同效应。结果表明，硅烷处理显著改善了界面黏附（interfacial adhesion）、减少了孔洞形成（void formation），并提升了复合材料的整体性能。在所制备的复合材料中，含有4 vol%木质素和硅烷处理纤维的EF22复合材料表现出最高的力学性能，其拉伸强度（tensile strength）为110 MPa，弯曲强度（flexural strength）为168 MPa，冲击强度（impact strength）为5.1 kJ/m²，硬度（hardness）为89 Shore D。木质素的掺入改善了热导率（thermal conductivity），最大值达到0.33 W/m·K，而含有6 vol%木质素的EF23复合材料表现出最低的吸水率（water absorption），为0.95%。此外，EF23还表现出改善的摩擦学行为（tribological behaviour），具有最低的摩擦系数（coefficient of friction）（0.48）和比磨损率（specific wear rate）（0.0036 mm³/N·m），这归因于增强的纤维-基体结合以及木质素颗粒的润滑作用。所开发的环保复合材料在轻量化结构部件、热管理系统和耐磨损工程应用中展现出良好的应用潜力。

随着化石燃料、金属矿石等不可再生资源的需求持续增长，聚合物工程凭借其高比强度（strength-to-weight ratio）和热稳定性成为减少资源消耗的理想方案。金属汽车部件被聚合物复合材料替代，既节省金属矿石又降低燃料消耗。聚合物复合材料按增强体类型分为合成纤维增强与天然纤维增强两类。玻璃纤维、碳纤维、Kevlar纤维等合成增强体虽已广泛用于列车、飞机、船舶和汽车，但其不可生物降解且对环境有害，因此研究方向转向天然纤维增强复合材料。天然纤维具有可持续、可生物降解和高比强度等优点，但强度不及合成纤维，需通过配方优化来提升力学性能。长蒴黄麻（Corchorus olitorius）俗称黄麻锦葵，广泛种植于非洲、印度、中国和孟加拉国，其茎纤维即黄麻纤维，含61–71%纤维素、13.6–24%半纤维素和12–15%木质素，具有较高的拉伸、压缩、冲击、弯曲强度及耐磨性。环氧树脂（epoxy resin）则具有优异的力学和耐化学品性能。然而，将短切纤维加入聚合物时易产生界面缺陷，且天然纤维表面亲水官能团会导致弱界面结合。已有研究尝试将木质素作为生物填料加入复合材料，以增强力学与热稳定性；木质素可从可可豆荚壳（coco pod husk）这类农业废弃物中提取，符合可持续理念。但现有文献中，将硅烷处理的长蒴黄麻茎纤维与可可豆荚壳木质素协同用于环氧基体的报道尚属空白。因此，本研究通过硅烷偶联剂（silane coupling agent）改性纤维与木质素表面，并系统改变木质素含量，探索其在力学、热学、耐湿与摩擦学性能上的协同作用，填补了这一研究空白。

研究人员制作了六种复合材料：未处理纤维组（EF11、EF12、EF13）和硅烷处理纤维组（EF21、EF22、EF23），木质素体积分数分别为2 vol%、4 vol%、6 vol%，通过手糊成型（hand lay-up）在室温固化制备。通过拉伸、弯曲、冲击、硬度、热导率、磨损及吸水率测试，结合扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）分析，揭示了硅烷处理与木质素掺入的协同机制。结果表明，硅烷处理显著改善了纤维-基体界面黏附并减少孔洞；含4 vol%木质素且经硅烷处理的EF22力学性能最优（拉伸强度110 MPa，弯曲强度168 MPa，冲击强度5.1 kJ/m²，硬度89 Shore D）；含6 vol%木质素且经硅烷处理的EF23在热导率（0.33 W/m·K）、吸水率（0.95%）、摩擦系数（0.48）和比磨损率（0.0036 mm³/N·m）方面均达到最佳。该绿色复合材料具备替代传统材料应用于汽车制动件、仪表板、齿轮及轻量化航空航天板的潜力。

研究人员从印度金奈的Skyline Resins公司获得环氧树脂（分子量380 g/mol，密度1.3 g/cm³）与三乙烯四胺固化剂（分子量146.22 g/mol，密度0.981 g/ml）；长蒴黄麻茎和可可豆荚壳收集自印度金奈的超市。茎纤维经水浸渍法（water retting）提取，木质素通过碱提取（2% NaOH）与酸沉淀（H₂SO₄）从豆荚壳中分离，X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）验证其无定形结构。纤维和木质素颗粒均采用3-氨丙基三甲氧基硅烷（3-APTMS）乙醇溶液处理。复合材料采用手糊成型法，将环氧与固化剂混合后依次铺放纤维与树脂，室温固化24小时，并用CNC水刀（Ward Jet ZX-2543）按ASTM标准切割样件。

研究人员通过拉伸、弯曲、冲击和硬度测试评估力学性能。拉伸强度方面，硅烷处理组在所有木质素含量下均高于未处理组，4 vol%时增幅最大（19.6%，由92 MPa升至110 MPa），其原因在于硅烷在纤维表面形成Si-O-Si化学键，增强了纤维与环氧基体之间的应力传递；弯曲强度在4 vol%时由148 MPa升至168 MPa（增幅13.5%），说明界面结合改善了抗弯刚度；冲击强度在4 vol%时由4.2 kJ/m²升至5.1 kJ/m²（增幅21.4%），界面结合有效阻碍裂纹扩展；硬度随木质素含量增加持续上升，处理组因填料分散更均匀和微孔洞减少而更高。SEM断口显示，未处理样品出现大量纤维拔出和界面间隙，而处理样品表现为纤维断裂和粗糙断口，说明失效模式由界面脱粘转变为内聚失效。

研究人员采用Lee's Disc稳态装置测量热导率。热导率随木质素含量增加而增大，处理组始终高于未处理组，6 vol%时增幅最高（13.8%，达0.33 W/m·K）。木质素提供了更好的热传导通道，而硅烷处理降低了界面热阻和孔洞含量，减少了声子散射。

研究人员在10 N载荷、1 m/s滑动速度和1000 m滑动距离下进行销盘式磨损测试。未处理组摩擦系数（COF）从0.55降至0.52（4 vol%）后又升至0.54（6 vol%），比磨损率在0.0046–0.0053 mm³/N·m范围内变化；处理组COF连续降至0.48（EF23），比磨损率降至0.0036 mm³/N·m。相较于未处理组，处理组的比磨损率下降幅度最高达26.5%，源于界面结合增强、纤维拔出减少以及木质素颗粒作为固体润滑剂形成保护性转移层。

研究人员将试样浸泡于蒸馏水14天测定吸水率。处理组吸水率显著低于未处理组，EF23最低（0.95%），较未处理对应样（1.27%）降低25.2%。硅烷处理使纤维表面羟基被疏水基团取代，降低了吸湿倾向；同时界面结合致密，减少了作为水分通道的微孔洞。

讨论部分指出，木质素与硅烷处理的协同效应可解释为：木质素起刚性填料和润滑剂的双重作用，而硅烷偶联剂在纤维与基体间建立化学桥接，共同提升界面完整性、热传导性和耐磨性。但过高木质素含量（6 vol%）在力学性能上略低于4 vol%，原因是颗粒团聚引发应力集中，不过其在热学、摩擦学与耐水性上的优势依然明显。研究结论可翻译为：硅烷处理显著提升了环氧复合材料的综合性能。热导率随木质素含量增加而增大，处理组增幅最高达13.8%；吸水率最高下降25.2%；比磨损率最高降低26.5%。综合所有测试，含6 vol%木质素并经硅烷处理的EF23复合材料表现出最佳综合性能，包括最大热导率、最低吸水率、最低摩擦系数与最低磨损率。结果证实木质素是改善热传输和抗磨损的有效功能填料，而硅烷处理是增强界面相容性和降低亲水性的关键。最优填料配比与表面处理相结合，可获得满足高效散热、防潮和耐磨工程应用要求的绿色复合材料。