未处理黄麻纤维掺入对回收牛仔布–环氧混杂复合材料性能的影响

《Results in Engineering》：Effect of Untreated Jute Fiber Incorporation on the Properties of Recycled Denim–Epoxy Hybrid Composites

　　

本研究评估了以纺织废料中回收的牛仔布纤维增强的环氧基复合材料，以及与未处理短黄麻纤维混杂的牛仔布–环氧复合材料。复合材料层合板采用手糊成型工艺制备，控制纤维含量，在室温条件下固化并进行后固化。研究人员通过拉伸、弯曲、Charpy冲击、热重分析（TGA）、差示扫描量热法（DSC）、吸水率、表观孔隙率和扫描电子显微镜（SEM）分析，评估了力学、热学、物理和形态学性能。回收牛仔布–环氧复合材料表现出最高的力学性能，拉伸强度达到31.4 ± 0.2 MPa，Charpy冲击强度为8.30 ± 0.39 kJ m^-2。掺入未处理短黄麻纤维使拉伸强度降至25.2 ± 0.3 MPa（降低19.5%），拉伸能量吸收从2.69 ± 0.62 MJ m^-3降至0.80 ± 0.08 MJ m^-3，冲击强度降至5.60 ± 0.30 kJ m^-2，这与应力传递效率低下相一致。SEM断口分析显示混杂复合材料中存在纤维拔出、微孔洞和界面脱粘。热分析显示两种体系具有相似的降解行为，主要质量损失区域位于300°C至450°C之间，高温DSC事件也发生在相近范围内。黄麻–牛仔布混杂复合材料表现出比纯牛仔布复合材料更低的吸水率和表观孔隙率。总体而言，回收牛仔布–环氧复合材料的性能优于未处理黄麻–牛仔布混杂环氧复合材料，表明未处理黄麻充当了弱界面相；因此，预计需要纤维表面处理以提高可持续混杂复合材料体系中的纤维–基体相容性和力学性能。

论文解读：未处理黄麻纤维掺入对回收牛仔布–环氧混杂复合材料性能的影响

**一、研究背景与问题提出**

循环经济理念的深入推动了可持续复合材料的发展，如何将工业废物流转化为高附加值功能材料成为研究热点。纺织工业每年产生超过9200万吨废弃物，其中牛仔布主要由棉纤维素纤维组成，具有机织结构和残余力学完整性，是重要的可回收废物流。将废弃牛仔布纤维与聚合物基体复合，既减少填埋负担，又实现轻质高效工程材料的开发。黄麻作为来源广泛、成本低廉且可再生的天然纤维，具备良好的刚度与抗拉强度，常被用于天然纤维增强聚合物复合材料（NFRP）。然而，天然纤维固有的亲水性以及表面的蜡质、半纤维素、木质素和果胶等杂质，使其与疏水性环氧基体之间难以形成有效的界面润湿和粘合。化学表面处理虽可改善界面性能，却增加了工艺复杂度、成本和化学试剂用量，在一定程度上削弱了可持续发展优势。因此，部分研究尝试直接使用未处理天然纤维，寄希望于混杂效应或纤维间的协同作用弥补弱界面带来的不利影响，但实验证据并不一致。已有研究分别考察了回收牛仔布复合材料和黄麻-环氧复合材料，而将回收牛仔布纤维与未处理短黄麻纤维共同用于环氧基体的研究仍不充分。为弥补这一研究空白，研究人员设计了本项研究，系统评价未处理短黄麻纤维对回收牛仔布–环氧复合材料力学、热学、物理及微观结构性能的影响。

**二、研究内容与总体发现**

研究人员采用手糊成型工艺制备了两种复合材料：仅含回收牛仔布的牛仔布–环氧复合材料，以及额外掺入5.80 g未处理短黄麻纤维的黄麻–牛仔布–环氧混杂复合材料。通过拉伸、弯曲、Charpy冲击、TGA/DTG、DSC、吸水率、表观孔隙率和SEM分析，全面比较了未处理黄麻掺入前后的性能变化。研究论文发表在《Results in Engineering》。结果表明，回收牛仔布–环氧复合材料的拉伸、弯曲和冲击性能全面优于黄麻–牛仔布混杂复合材料，未处理黄麻在环氧基体中充当了弱界面相；但混杂复合材料表现出更低的吸水率和表观孔隙率。

**三、关键技术方法**

研究样本来源明确：牛仔布纤维取自牛仔裤制造设施产生的后工业预消费裁剪废料，为面密度300–400 g m^-2的厚重棉织物，3/1斜纹组织；黄麻纤维取自使用后破损的黄麻袋，经清洗、太阳晾晒2 h后手工剪切成5–10 mm短纤维。复合材料制备采用手糊成型工艺：环氧树脂（150 g）与聚酰胺固化剂（75 g）按制造商推荐的2:1质量比混合，铺设五层牛仔布织物，其中混杂体系先将黄麻短纤维混入环氧树脂后再进行层铺；施加30 kg压缩载荷并在室温固化72 h，再经60°C烘箱后固化1 h。测试方法涵盖：依据ASTM D3039的拉伸测试、依据ASTM D790的三点弯曲测试、依据ISO 179-1/1fU的无缺口Charpy冲击测试、NETZSCH STA 449F3同步热分析仪的TGA/DTG与DSC测试、蒸馏水浸泡法吸水率测试及基于平衡吸水质量的表观孔隙率估算，以及SEM断口形貌观察。公称纤维体积分数约为26%（牛仔布/环氧）和28%（混杂体系）。

**四、研究结果**

**3.1 力学性能**

**3.1.1 拉伸性能**

依据ASTM D3039的拉伸测试结果显示，牛仔布–环氧复合材料极限拉伸强度为31.4 ± 0.2 MPa，断裂应变为10.5 ± 2.4%，表现出连续的应变硬化行为。掺入未处理黄麻后，拉伸强度降至25.2 ± 0.3 MPa（下降19.5%），断裂应变为4.3 ± 0.4%，应力–应变曲线在约3%应变后出现平台区，拉伸能量吸收从2.69 ± 0.62 MJ m^-3大幅降至0.80 ± 0.08 MJ m^-3（约70%）。两组试样的强度变异系数均小于1.2%，表明测试重复性良好。未处理黄麻表面亲水性成分（蜡质、半纤维素和木质素）阻碍了环氧润湿，纤维长度低于临界纤维长度，导致应力传递不良和早期断裂。

**3.1.2 弯曲性能**

三点弯曲测试表明，牛仔布–环氧复合材料最大弯曲强度为67.8 ± 3.4 MPa，弯曲模量为2843 ± 44 MPa，最大应力处应变为0.054 ± 0.005。黄麻掺入后分别降至55.5 ± 4.6 MPa（下降18%）、2482 ± 215 MPa（下降13%）和0.042 ± 0.006。弯曲能量吸收从2.59 ± 0.40 MJ m^-3降至1.65 ± 0.38 MJ m^-3（约36%），降幅低于拉伸模式，原因是弯曲加载中压缩半区和斜纹织物铺层分担了部分载荷，部分掩盖了弱界面效应。

**3.1.3 冲击性能**

无缺口Charpy冲击测试结果显示，牛仔布–环氧复合材料冲击强度为8.30 ± 0.39