经过表面改性的Oroxylum indicum与环氧树脂复合材料的准静态及热机械响应——在轻量化应用中的应用

《Journal of Building Engineering》：Quasi-Static and Thermomechanical Response of Surface-Modified Oroxylum indicum/Epoxy Composites for Lightweight Applications

　　

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  将掉落的Oroxylum indicum果实壳加工成75–150微米的填料，用于制造更纯净的复合材料。
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  表面处理后，UT-OIC的拉伸强度从40.97 MPa提高到了55.15 MPa。
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  层间剪切强度从UT-OIC的4.71 MPa提高到了ST-OIC的8.44 MPa。
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  比能量吸收从UT-OIC的0.157 J/g提高到了ST-OIC的0.361 J/g，显示出更好的抗损伤性能。

引言

木质纤维素增强材料作为传统合成或矿物填料的替代品，在聚合物复合材料中越来越受到研究。然而，它们的工程性能受到原料变异性、湿度敏感性和与聚合物基体相容性限制的强烈影响（Patel等人，2023年）。天然植物纤维在多种用途中显示出巨大潜力。目前，这些纤维被应用于家庭用品和生物医学领域，例如作为抗菌剂和伤口愈合支架。工业界常使用天然纤维来制造托盘、托盘和包装材料。尽管对天然纤维复合材料的兴趣日益增长，但只有少数几种纤维如黄麻、肯纳夫、大麻、PALF（菠萝叶纤维）、苎麻和稻壳具有广泛的可用性。这种稀缺性促使人们不断探索新的天然纤维来源，并评估其在复合材料中的应用潜力，以确保可靠的原材料供应。

识别新的植物纤维非常重要，因为复合材料的性能和成本取决于纤维的可用性、一致性和化学组成。许多农业废弃物很容易获得，使用它们作为增强材料可以减少浪费、降低成本、支持本地供应链并促进循环经济（Rahman等人，2025a）。然而，在考虑其工程性能的同时，也必须考虑替代材料的环境优势。建筑材料的生命周期评估表明，用替代材料替换传统成分可以在不降低机械要求的情况下降低嵌入式能量和全球变暖潜力。最近关于废物衍生工程材料的研究也表明，将回收成分与适当的增强材料结合使用可以提供显著的机械性能和冲击性能，并促进更可持续的材料利用（Khataei等人，2025）。废物衍生材料在其他工程复合材料系统中的潜力也很明显，将回收成分与增强材料结合使用已被证明可以提高机械性能和能量吸收。然而，其有效性在很大程度上取决于所使用的增强材料的类型和数量（Zamani等人，2022）。新的纤维提供了不同的强度、刚度、密度和湿度响应组合，有助于实现更针对特定应用的设计，改善加工过程，并促进可持续复合材料的更广泛应用。尽管如此，这些天然纤维仍面临某些限制，解决这些问题仍然是一个挑战（Rahman等人，2025b）。天然纤维面临的关键挑战包括吸湿性、性能的可变性（由于植物年龄、生长地点和提取方法）、与疏水基体的相容性差以及热处理/加工限制。这会导致界面薄弱、孔隙和机械性能不一致（Patel等人，2023）。通过表面处理如碱处理、硅烷处理和乙酰化处理可以解决这些问题，这些处理通过减少界面缺陷的亲水性来增强纤维-基体之间的粘结。此外，优化加工参数（例如温度、混合和脱气）以及实施标准化的纤维制备和质量控制措施可以提高天然纤维复合材料的重复性和长期耐久性（Thirukumaran等人，2024）。

为了解决环氧复合材料中天然纤维的主要问题，特别是它们较差的界面粘结性，通常采用表面改性来提高纤维-基体的相容性和应力传递。碱处理是一种流行的方法，因为它可以清洁纤维表面，去除松散附着的无定形物质，并增加表面粗糙度，从而改善基体的润湿性和机械互锁性（Raghunathan等人，2023）。硅烷处理提供了一种更先进的方法，通过创建一个反应性界面来增强纤维表面和环氧网络之间的粘附力，从而减少脱粘和提高抗断裂性。因此，在这项研究中，选择碱处理和硅烷处理作为基于环氧的天然纤维复合材料的重点方法，因为界面质量显著影响拉伸、弯曲、冲击和层间剪切性能（Perera等人，2022）。

一项研究通过压缩成型制备了碱处理的椰纤维/环氧复合材料（纤维含量0–15体积%），评估了其吸湿性、弯曲强度和断裂韧性。结果表明，15体积%的碱处理椰纤维表现出最佳性能，吸水性降低了约12%，弯曲强度（62 MPa）和断裂韧性（1.49 MPa · m^0.5）得到了提高，使其适用于轻量化应用（Venkatesh，2024）。在另一项研究中，将2% NaOH处理的剑麻和荨麻纤维（各占40重量%）与环氧基体（60重量%）结合，并通过手工铺设方法制备复合材料。纤维以单向和双向排列，剑麻/荨麻的比例从10/30到30/10不等。结果表明，单向层压材料的拉伸强度最高（50.67至67.53 MPa，剑麻含量越高），而双向层压材料则表现出更高的弯曲强度和冲击强度（133.99 MPa至162 MPa；6.8 kJ/m²至10.07 kJ/m²）。这表明通过调整纤维比例和方向可以优化材料性能（Adam等人，2025a）。在另一项研究中，研究了用原始和碱处理的Zanthoxylum acanthopodium树皮纤维（5–25重量%）增强的环氧复合材料的机械性能、防水性和形态。含有20重量%碱处理纤维的复合材料表现出最高的拉伸强度（47.3 MPa），尽管纤维含量较高时吸水性有所增加（Raghunathan等人，2023）。

虽然已经对碱处理和硅烷处理的木质纤维素增强材料进行了大量研究，但关于Oroxylum indicum（OI）果实壳衍生填料在环氧复合材料中的使用的数据有限。表面处理对其化学、结构和界面性能的影响尚不清楚。此外，其对机械和热机械性能的影响也未进行系统研究。本研究的新颖之处在于比较了未经处理的、碱处理的和硅烷处理的OI填料。采用了一种结合物理化学、形态学、机械和热机械分析的综合性方法。该方法将填料因处理引起的结构变化与复合材料性能联系起来。碱处理主要去除无定形成分，而硅烷处理通过硅烷官能团改变填料表面；它们对复合材料行为的不同影响分别进行了评估。

掉落的OI果实壳是一种廉价且利用不足的木质纤维素资源。其富含纤维素纤维的壳可以制成颗粒填料。收集后的果实壳经过清洗、化学处理、干燥和筛分。未经处理的OI填料具有亲水基团和表面杂质，这可能会阻碍环氧树脂的润湿并削弱填料-基体界面。因此，使用了30 phr的OI填料（相对于环氧-固化剂混合物）制备了三种类型的复合材料。这相当于最终复合材料中约23.1重量%的填料。这些分别标记为UT-OIC、NT-OIC和ST-OIC，代表未经处理、碱处理和硅烷处理的填料。使用FTIR、XRD、TGA和SEM技术对这些填料进行了分析。复合材料经过了拉伸、弯曲、冲击、剪切、DMA和TMA测试。研究的目的是确定表面改性如何影响复合材料性能，并评估OI果实壳废弃物在轻质建筑部件中的潜力。特别关注非承重和半结构应用，这些应用中刚性、抗冲击性、尺寸稳定性和低材料重量非常重要。

章节片段

Oroxylum indicum 的加工和处理

Oroxylum indicum（OI）是一种原产于泰国南部地区的树木，可以长到约27米高。这种植物的果实很长且扁平，常用于阿育吠陀医学中。在本研究中，填料来源于自然掉落的果实，这些果实经过日晒以去除残留水分。填料加工的过程如图1所示。

由于从果实壳中提取纤维在技术上具有挑战性且效率低下，因此

OI 填料的物理和化学分析

表2展示了化学处理前后OI填料的物理和化学性质。OI填料的化学组成清楚地反映了碱处理和硅烷处理对其化学组成和表面杂质的影响。未经处理的填料（UT-OI）含有64.51重量%的纤维素、17.26重量%的半纤维素、10.14重量%的木质素和2.14重量%的蜡。经过碱处理（NT-OI）后，纤维素的含量增加到72.49重量%

结论

目前的研究表明，掉落的Oroxylum indicum（OI）果实壳可以加工成更纯净、均匀的木质纤维素填料（75–150微米）。此外，通过添加30重量%的OI填料，可以制备出具有良好性能的环氧复合材料。碱处理和硅烷处理显著提高了复合材料的性能。化学分析证实，这些化学处理改善了填料的化学和物理性质。

CRediT作者贡献声明

Vinod Ayyappan：撰写——初稿、可视化、正式分析、数据管理、概念构思。Gaurav Arora：撰写——审核与编辑、可视化、验证。Kritirash Yorseng：资源管理、项目实施、方法论、研究、资金获取。Kumaran P：撰写——初稿、验证、研究、正式分析、数据管理。Mohit Kumar：可视化、软件开发、资源管理、研究。Suchart Siengchin：监督。

未引用文献

Pratiwi等人，2025年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢Ratirat Chuenphayom女士和Adanan Awae先生的协助，以及NCR LAB-KMUTNB和STRI-KMUTNB提供的仪器设施和技术支持。这项研究由King Mongkut’s University of Technology North Bangkok通过合同号KMUTNB-69-KNOW-73资助。

Vinod Ayyappan|Krittirash Yorseng|Gaurav Arora|Mohit Kumar|P. Kumaran|Sanjay Mavinkere Rangappa|Suchart Siengchin