《Industrial Crops and Products》：Hydrogen-bond-mediated island-chain interfacial structure for enhanced tribological performance of sugarcane bagasse/epoxy composites
编辑推荐：
环氧树脂（EP）是一种高性能热固性聚合物，具有良好粘附性、化学稳定性和易加工性，广泛用作工业地坪、防腐涂层、电子封装材料、树脂结合磨料与抛光片以及机械部件耐磨衬里的基体或粘结剂。然而，固化后形成的高度交联三维（3D）网络使EP固有硬而脆，限制了相关部件在复杂服
环氧树脂（EP）是一种高性能热固性聚合物，具有良好粘附性、化学稳定性和易加工性，广泛用作工业地坪、防腐涂层、电子封装材料、树脂结合磨料与抛光片以及机械部件耐磨衬里的基体或粘结剂。然而，固化后形成的高度交联三维（3D）网络使EP固有硬而脆，限制了相关部件在复杂服役条件下的长期可靠性。EP的断裂韧性较差，在静载或动载下微裂纹易萌生扩展，导致过早失效；同时在摩擦剪切下发生磨粒磨损和疲劳分层，造成大量材料损失。因此，需同时提升EP的强度、断裂韧性和耐磨性。现有增强增韧方法主要有结构调控和界面强化两种，但无机纳米填料常通过范德华力相互作用、易团聚且工艺复杂成本高。天然植物纤维因来源丰富、可生物降解和高比强度受到关注。甘蔗渣（BG）是制糖工业丰富的农业副产物，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，表面富含极性官能团尤其是羟基（–OH），可促进与聚合物基体的界面结合，其纤维形态可承载和传递应力。然而目前BG/EP复合材料研究主要集中于力学和热性能，对其摩擦学行为和磨损机制研究较少，尤其是结合宏观摩擦学测试、界面形貌与表面化学表征及分子尺度分析的研究仍较有限。常规实验技术难以准确表征分散纤维与周围聚合物基体间的复杂相互作用，分子动力学（MD）模拟可在原子尺度分析材料行为，为揭示界面相互作用和分子间能量变化提供支撑。因此，研究人员将BG作为增强填料引入EP基体，系统研究BG粒径和负载量对复合材料力学性能和干滑动摩擦学性能的影响，结合扫描电子显微镜（SEM）、表面化学表征和MD模拟，将宏观性能与微观形貌特征及BG–EP界面氢键和范德华相互作用相关联，阐明界面相互作用机制，并通过抛光片和环氧地坪试验评估其应用性能，为BG在树脂基耐磨复合材料中的增值利用提供材料设计依据。
环氧树脂（EP）因高度交联的三维（3D）网络结构而固有硬而脆，断裂韧性差且耐磨性不足，在静/动载荷下微裂纹易萌生扩展，在摩擦剪切下易发生磨粒磨损和疲劳分层，限制了其在工业地坪、防腐涂层、抛光片及耐磨衬里等领域的长期服役可靠性。天然植物纤维因来源丰富、可生物降解和高比强度而被广泛用作EP增强填料，其中甘蔗渣（BG）作为制糖工业丰富的农业副产物，表面富含羟基（–OH）等极性官能团，可与EP基体形成氢键等极性相互作用，其纤维形态有利于承载和应力传递。然而现有BG/EP复合材料研究多聚焦于力学和热性能，对其摩擦学行为与磨损机制研究不足，尤其是结合宏观摩擦学测试、界面形貌与表面化学表征及分子尺度分析的研究较为有限；同时分散纤维与聚合物基体间的复杂相互作用难以用常规实验技术准确表征。基于此，研究人员将BG作为增强填料引入EP基体，系统考察BG粒径与负载量对复合材料力学性能和干滑动摩擦学性能的影响，并联合SEM、表面化学表征与分子动力学（MD）模拟，将宏观性能与微观形貌及BG–EP界面氢键和范德华相互作用相关联，揭示界面相互作用机制，同时通过抛光片与环氧地坪试验评估应用性能。研究结果表明，300–400目BG在19 wt%负载量下综合性能最佳，拉伸强度达83.1 MPa、韧性达19.6 MJ/m3，较纯EP分别提高27.6%和9.7%，磨损率降低96.4%；BG以分散“岛相”嵌入EP基体，其–OH与EP链间氢键作为“链”连接这些岛相，形成“岛-链”增强机制，增强界面结合并抑制裂纹扩展与疲劳剥落；MD模拟显示复合体系氢键数由约302增至约611，范德华相互作用增强，内聚能密度提高。应用试验中，19 wt% BG/EP抛光片经60 min抛光后累计质量损失较纯EP和商用树脂结合抛光片分别降低53.7%和45.6%，可将铝合金表面平均粗糙度（Ra）由0.748 μm降至0.142 μm；地坪防滑试验中小车停止距离较纯EP缩短约13.5%，与商用环氧地坪相当。该研究为BG在树脂基耐磨复合材料中的增值利用提供了材料设计依据，并提出了“岛-链”界面增强机制。
研究人员开展研究用到的主要关键技术方法包括：以不同目数（20–60、100–200、300–400、1000目）BG粉末为填料制备BG/EP复合材料，采用万能试验机进行单轴拉伸测试，采用垂直万能摩擦磨损试验机以SiC环为对偶进行干滑动摩擦试验并计算磨损率，采用邵氏D硬度计测试硬度；通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、SEM与能谱（EDS）、差示扫描量热法（DSC）及激光扫描显微镜表征表面形貌、化学状态与磨损形貌；开展抛光片抛光性能试验与环氧地坪防滑（小车制动）试验；并采用Materials Studio软件基于COMPASS II力场开展MD模拟，分析密度、分子间相互作用、内聚能密度、氢键及分子运动性。BG原料来自云南南恩糖纸有限公司。
研究结果如下：
3.1 BG/EP复合材料的力学性能：通过系统考察BG粒径对力学性能的影响发现，随目数增加BG由粗大不规则纤维逐渐变为短纤维和细颗粒，300–400目BG保持较高长径比（3.29 ± 1.47），其复合材料拉伸强度和杨氏模量分别达83.1 MPa和712.6 MPa，较纯EP提高27.6%和34.6%，韧性达19.6 MJ/m3、提高9.7%；20–60目样品因润湿性差力学性能较差，1000目因颗粒团聚产生应力集中使拉伸强度降至69.5 MPa。通过拉伸断口SEM分析表明，300–400目样品断口更粗糙，伴有明显纤维拔出和裂纹偏转，纤维被EP完全包覆并与基体紧密连接，有利于载荷分配与传递。在最优粒径基础上考察BG含量发现，19 wt% BG/EP综合力学性能最佳，杨氏模量和韧性分别达712.6 MPa和19.6 MJ/m3；21 wt%时拉伸强度降至76.7 MPa，断裂伸长率和韧性显著下降。通过断口形貌分析表明，11 wt%和19 wt%时纤维与基体连接紧密连续，21 wt%时气泡所致孔洞成为应力集中位点。通过引入TEMPO氧化BG（T-BG）对照并结合FT-IR证实，BG表面官能团通过氢键和极性相互作用参与界面强化。此外，经24 h后固化样品无残余固化放热峰，经五次浸水–干燥循环后19 wt% BG/EP仍保持高于纯EP的拉伸强度。
3.2 BG/EP复合材料的摩擦学性能：通过不同目数BG复合材料的摩擦磨损测试发现，所有目数复合材料摩擦系数均高于纯EP，但磨损率更低，300–400目样品磨损率最低，仅0.2 × 10?? mm3/(N·m)，较纯EP的5.6 × 10?? mm3/(N·m)降低96.4%，且硬度最高（85.5 HD）。通过不同含量BG的摩擦学测试发现，19 wt% BG/EP磨损率最低、硬度最高，在60 N载荷和400 r/min下仍保持较完整形貌，而纯EP、1 wt%和11 wt% BG/EP在60 N下完全破坏，21 wt% BG/EP在40 N下即完全破坏，进一步证实300–400目、19 wt% BG/EP具有优异耐磨性；三批次重复实验显示相同增强趋势，制备工艺重现性良好。
3.3 BG/EP复合材料磨损表面的结构与化学表征：通过磨损形貌与三维形貌分析发现，纯EP磨损表面严重开裂粗化，最大磨损深度约231.8 μm，磨损体积约0.35 mm3；19 wt% BG/EP表面基本完整，最大磨损深度仅约21.6 μm，磨损体积降至约0.055 mm3，降低84.29%。通过SEM观察发现，纯EP磨损后表面粗糙，存在大量松散磨屑、凹坑和大面积剥落，属典型严重疲劳磨损；19 wt% BG/EP磨损后无大面积剥落，呈细磨粒压实堆积特征，磨屑平均粒径1.34 ± 0.45 μm，磨损机制转为磨粒磨损。通过预加工沟槽侧壁SEM观察发现，纯EP亚表面微裂纹明显扩展和分叉，而19 wt% BG/EP微裂纹大多局限孤立，表明BG可限制亚表面裂纹扩展。通过对SiC对偶面SEM和EDS分析发现，摩擦中BG/EP材料转移至对偶面形成局部转移膜，镶嵌细磨粒参与界面滑动和微切削，形成三体磨粒磨损，转移膜提高对偶面粗糙度和机械互锁，可能是其摩擦系数较高的原因之一。通过FT-IR定量分析发现，BG引入后O–H伸缩峰由3398 cm?1移至3372 cm?1，半高宽由240增至270 cm?1，积分面积由9.048增至12.838 cm?1；摩擦后19 wt% BG/EP的O–H峰进一步移至3339 cm?1，半高宽增至300 cm?1，积分面积基本不变，表明摩擦改变了–OH局部相互作用环境。通过XRD分析发现，磨损后所有样品表面结晶度均有所提高，纯EP由66.7%升至79.8%，加剧脆性，而19 wt% BG/EP结晶度增幅较温和，表明BG抑制了EP基体的强烈取向和脆化。通过XPS分析发现，纯EP磨损后C–C/C–H含量由76.22%显著降至48.68%，C–O/C–N和C=O含量升高，表明发生摩擦氧化和分子链断裂；19 wt% BG/EP磨损后C1s组成变化较小，保留较高比例C–C/C–H结构。O1s谱显示纯EP摩擦后C=O–O比例增加，表明发生摩擦氧化；19 wt% BG/EP的O1s谱整体向高结合能移动，C=O、C–O–H/C–O–C和C=O–O组分分别移动约0.78、0.88和1.26 eV，可能与BG–EP界面氢键中氧原子周围电子密度增加有关，一定程度上抑制了表面分子链随机断裂和深度氧化。N1s谱显示纯EP摩擦后峰强度下降，19 wt% BG/EP向高结合能移动，表明N处于极性相互作用更强的化学环境。综上，纯EP在摩擦剪切和局部温升下发生表面链取向、化学键重排和氧化，脆性增加并最终严重疲劳剥落；而19 wt% BG/EP中BG形成较连续纤维–基体界面限制微裂纹扩展，BG的–OH与EP极性基团间氢键增强界面结合和结构稳定性，减少材料剥落和表面化学状态变化。
3.4 分子动力学模拟：通过构建纯EP和19 wt% BG/EP分子模型并进行NPT平衡，纯EP平衡密度为1.0839 ± 0.0004 g·cm?3，与实验值1.1673 ± 0.0040 g·cm?3相对偏差约7.1%，处于合理范围，验证了模型与力场参数的适用性。通过能量分解发现，19 wt% BG/EP体系中范德华相互作用更显著，表明纤维素链与EP链间形成大量分子间相互作用位点。通过内聚能密度和溶解度参数计算证实，纤维素引入增强了体系整体内聚强度，且与EP基体相容性良好，有利于纤维均匀分散和稳定集成，与实验观察到的BG嵌入状态和连续紧密界面一致。通过氢键统计（供体–受体距离小于3.5 ?、H–O···O角小于30°）发现，氢键数由纯EP约302增至复合体系约611，源于纤维素丰富–OH与EP网络含氧基团的相互作用，与FT-IR中O–H峰红移、半高宽和积分面积增加的趋势一致。通过均方位移分析发现，19 wt% BG/EP体系略高于纯EP，表明复合体系局部链段运动性增强，可能源于环氧–纤维素界面附近结构重排引入局部动态不均匀性，有利于应力耗散。MD模拟表明纤维素可通过氢键和范德华相互作用与EP基体形成非键相互作用，增强界面内聚并促进载荷传递。基于实验与模拟结果，“岛-链”增强机制可解释为：嵌入连续EP基体的BG域视为分散“岛相”，BG的–OH与EP链间氢键作为连接这些域与周围基体的“链”，该机制有助于维持较紧密连续的BG–EP界面并促进应力传递与分配；该模型是整合实验与模拟证据提出的概念性机理解释，而非直接观察结构。需注意MD模拟采用聚合度（DP）为10的纤维素链代表BG，仅为简化描述，模拟主要作为补充证据，最终结论仍主要基于实验结果。
3.5 抛光片与环氧地坪应用性能：通过抛光片试验发现，随抛光时间增加所有抛光片累计质量损失增大，19 wt% BG/EP质量损失最低，抛光60 min后为0.0703 g，较纯EP和商用树脂结合抛光片（CRPD）分别降低53.7%和45.6%，表明其短期抛光耐久性提高。通过铝合金表面粗糙度分析发现，纯EP抛光效果有限，而19 wt% BG/EP将平均Ra由0.748 μm降至0.142 μm，平均峰谷高度（Rz）和最大轮廓高度（Rt）呈相同下降趋势，表面形貌观察证实其抛光后铝合金表面更平整。通过环氧地坪防滑（小车制动）试验发现，纯EP、19 wt% BG/EP和商用环氧地坪材料（CEF）上小车平均停止距离分别为24.97、21.59和21.92 cm，19 wt% BG/EP较纯EP缩短约13.5%，与CEF相当。需注意上述试验均为实验室条件下的应用导向性短期对比评价。
讨论部分总结：研究人员系统考察了BG粒径和负载量对BG/EP复合材料力学与摩擦学性能的影响，含19 wt% 300–400目BG的复合材料综合性能最佳，拉伸强度83.1 MPa、韧性19.6 MJ/m3，磨损率较纯EP降低96.4%。BG分散嵌入EP基体形成较紧密界面接触，促进应力传递，BG与EP间氢键和范德华相互作用增强界面结合，“岛-链”增强机制在抑制摩擦过程中裂纹扩展和疲劳剥落方面发挥关键作用。实验室尺度应用试验证明，19 wt% BG/EP抛光片60 min累计质量损失较纯EP和商用树脂结合抛光片分别降低53.7%和45.6%，地坪制动试验中停止距离较纯EP缩短13.5%并与商用环氧地坪相当，为BG/EP复合材料作为树脂基耐磨功能材料提供了初步依据。吸湿、性能变异性、界面退化和长期耐久性等挑战仍然存在，未来研究将聚焦长期耐久性、环境老化和可规模化制备，以评估BG/EP复合材料的实际工程潜力。
