《Polymer Composites》：Canola Fiber as Reinforcement for Composites: Effect of Fiber Extraction and Processing Method on Fiber Properties, Nonwoven Manufacturing, and Composite Properties
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为解决合成纤维高碳排放及农业废弃物资源化问题，本研究系统探究了水沤、田间沤麻及酶处理对废弃菜籽秆纤维性能的影响。结果表明，酶处理显著提升纤维密度、纤维素含量及力学性能，其复合材料纵向拉伸模量（EL）达15.9 GPa，为开发高性能绿色复合材料提供了新路径。
变废为宝：废弃菜籽秆如何“升级”为高性能复合材料？
在全球CO2排放持续攀升的背景下，合成纤维的生产（约4亿吨/年）与塑料使用带来的环境压力日益加剧。寻找可持续、低成本的天然纤维替代品已成为材料科学领域的迫切任务。菜籽（Canola）作为一种重要的油料作物，其收获后的秸秆常被废弃或简单处理，若能将其中的纤维转化为聚合物复合材料的增强体，不仅能实现农业废弃物的高值化利用，还能显著降低复合材料的环境足迹。
然而，天然菜籽纤维存在“先天不足”：直径较粗（约957.8 μm）、纤维素含量低（27.3%–30.8%）且果胶含量高（32.5%–41.8%），这严重限制了其作为增强材料的力学性能。此外，如何通过绿色、高效的加工方法（如酶处理）改善纤维性能，以及如何利用非织造布工艺（如针剌）制备高纤维体积分数的预成型体，是提升复合材料性能的关键挑战。
针对上述问题，发表在《Polymer Composites》上的最新研究《Canola Fiber as Reinforcement for Composites: Effect of Fiber Extraction and Processing Method on Fiber Properties, Nonwoven Manufacturing, and Composite Properties》系统评估了水沤、田间沤麻及酶处理三种方式对菜籽纤维性能的影响，并深入探讨了纤维长度、针剌工艺对非织造布渗透性及复合材料力学性能的调控机制。
关键技术方法
研究团队利用2022–2024年收获的菜籽秸秆，对比了水沤（60°C, 60 h）、田间沤麻（8周）及酶处理（果胶酶，20–60°C）三种纤维提取工艺。通过机械剥离获得纤维后，将其切分为短（1.3 cm）、中（6.4 cm）、长（12.7 cm）三种规格，并采用针剌工艺（30 punches/cm2）制备非织造布预成型体。复合材料通过真空辅助树脂传递模塑（VARTM）工艺制备，使用不饱和聚酯树脂（UPE）为基体，并系统测试了纤维的化学组成、力学性能及复合材料的拉伸性能。
研究结果
1. 纤维性能：酶处理效果最佳
结论：酶处理显著提升了菜籽纤维的纤维素含量、密度及力学性能，水沤纤维性能最差，田间沤麻纤维介于两者之间。
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化学组成与密度：酶处理纤维的纤维素含量最高，密度也高于其他两种纤维。这表明酶处理有效去除了纤维中的非纤维素成分（如果胶），使纤维结构更致密。
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力学性能：酶处理使水沤纤维的平均拉伸模量和强度提升了约94%。田间沤麻纤维的力学性能介于水沤和酶处理纤维之间，说明酶处理是优化纤维性能的最有效手段。
2. 非织造布制造：纤维几何形状影响显著
结论：纤维长度和直径直接影响非织造布的压实度与渗透性，针剌工艺能改善纤维取向并减少直径分布。
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可加工性：水沤纤维因过度脆化，无法成功制备针剌非织造布，仅能通过模压成型制备复合材料。而田间沤麻和酶处理纤维均能顺利制备0-P（零针剌）和30-P（30 punches/cm2）的非织造布。
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渗透性：随着纤维长度的增加和直径的减小，非织造布中的平均体积流速（Qavg）降低。这表明长而细的纤维能形成更致密的网络，影响树脂在VARTM工艺中的流动行为。
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针剌效应：针剌不仅提高了预成型体的完整性，还使纤维在毡中呈现优先取向（纵向模量高于横向），并减少了纤维的直径分布，间接提升了复合材料的模量。
3. 复合材料性能：酶处理复合材料表现最优
结论：复合材料的力学性能排序为：水沤 < 田间沤麻 < 酶处理，且纤维体积分数（Vf）是影响性能的关键因素。
处理方式 | 纤维体积分数 Vf(%) | 纵向拉伸模量 EL(GPa) | 纵向拉伸强度 σL(MPa) |
|---|
水沤 | 7.9 ± 0.7 | 3.7 ± 0.6 | 7.4 ± 0.8 |
田间沤麻 | 19.4 ± 2.8 | 11.3 ± 0.7 | 10.9 ± 0.4 |
酶处理 | 24.8 ± 1.9 | 15.9 ± 1.2 | 32.6 ± 2.8 |
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性能对比：酶处理复合材料的EL（15.9 GPa）显著高于水沤复合材料（3.7 GPa），这主要归因于酶处理纤维更高的Vf和更好的本征性能。
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各向异性：酶处理复合材料的纵向模量（15.9 GPa）高于横向模量（12.8 GPa），证实了针剌工艺诱导的纤维取向效应。
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界面结合：酶处理纤维表面粗糙度最高，从断口形貌观察可见其与基体界面结合紧密，这是其高强度的重要原因。
结论与展望
本研究证实，酶处理是提升菜籽纤维增强复合材料性能的最优路径。通过绿色、高效的酶处理结合针剌非织造布工艺，可以成功将废弃菜籽秸秆转化为高性能复合材料的增强体，其力学性能足以媲美部分传统合成纤维复合材料。
该研究为农业废弃物（如菜籽秆）的高值化利用提供了完整的技术路线：从纤维的绿色提取（酶法）到预成型体的制备（针剌非织造布），再到复合材料的成型（VARTM）。这不仅有助于降低复合材料行业对化石资源的依赖，也为汽车内饰（如仪表板、门板）等半结构部件的轻量化和绿色化提供了新的材料选择。未来，通过优化酶处理工艺参数（温度、时间、浓度）及针剌工艺（ punch density），有望进一步提升菜籽纤维复合材料的性能，推动其走向大规模工业应用。
