香蕉茎纤维/甘蔗渣纤维/蝾螺壳粉增强杂化环氧复合材料的制备及性能研究

《Scientific Reports》：Exploring the thermal and mechanical performance of hybrid bio composites reinforced with agro waste fibers and Turbinella pyrum shell powder

　　

摘要

可持续天然纤维增强聚合物复合材料的使用引起了相当大的关注，这主要因为它们环保且能替代工程中的重型部件。本研究利用真空辅助树脂注入技术制备了由香蕉茎纤维（BSF）、甘蔗渣纤维（SCF）和蝾螺（TPS）壳粉增强的杂化环氧复合材料。通过改变纤维和TPS填料的比例制备了九个复合样品（S1-S9），以研究复合材料的力学、热学、耐水性和形貌特性。研究发现，TPS填料的添加可能是复合材料性能提升的最主要原因，其含量增加到最高3 wt%时性能最佳。S6表现出最佳的拉伸强度（20.0 MPa）、拉伸模量（2.95 GPa）、弯曲强度（49.8 MPa）、弯曲模量（4.48 GPa）和冲击强度（8.1 kJ/m²）；这些性能分别比未填料的S1配方高出332.9%、136.0%、255.7%、250.0%和约523.1%。相比之下，S5的压缩强度（9.40 MPa）、压缩模量（1.34 GPa）最高，吸水率最低（1.95%），显示出优异的耐水性。基于不同的性能标准（力学、热学和耐水性），通过多响应优化选择了重量最轻且强度最高的复合材料配方。结果表明，S6是表现最均衡的复合材料配方。热重分析显示，含TPS填料的复合材料具有更好的耐热性，扫描电镜（SEM）成像揭示了各复合样品在纤维拔出、孔隙存在、填料分散和裂纹性质方面的差异。能量色散X射线（EDX）分析用于检测TPS填料中富集的碳酸钙（CaCO₃）物质，并确认其对复合材料刚度和耐热性提升的贡献。这些结果表明，含TPS填料的杂化环氧复合材料有可能作为绿色产品用于轻量化结构和工程应用。