来自灰毛豆（Tephrosia purpurea）茎的可持续木质纤维素纤维：用于绿色聚合物复合增强的物理化学表征

《Next Materials》：Sustainable lignocellulosic fiber from Tephrosia purpurea stem: Physicochemical characterization toward green polymer composite reinforcement

　　

本研究聚焦于从灰毛豆（Tephrosia purpurea）植物中获取的新型天然原纤维的表征。研究人员采用热重分析（TGA）对灰毛豆茎层纤维（TPSF）的热稳定性进行了测试；通过扫描电子显微镜（SEM）对TPSF表面进行形貌研究，并借助原子力显微镜（AFM）分析测量了纤维表面的粗糙度。化学成分分析结果显示，目前研究的未处理纤维含有63.87±6.28 wt%纤维素、14.26±6.24 wt%半纤维素和12.82±3.57 wt%木质素。TPSF的结晶度指数（CI）和微晶尺寸分别为86.59%和4.48 nm，从而确保了优异的结构有序性。TGA结果表明，TPSF的热稳定性可达225 °C，证实了其适用于中等耐热应用。低密度（844±26.47 kg/m³）和高结晶度进一步支持其作为轻质增强材料的潜力。TPSF所表现出的特性表明其在聚合物复合材料应用中具有潜力；然而，仍需进一步的复合材料制备和力学验证研究以完全确立其增强能力。

随着可持续材料的发展，天然植物纤维因其低密度、环境友好和比强度高等优势受到广泛关注。然而，许多未被充分利用的农林生物质资源尚未被系统性表征。Tephrosia purpurea（灰毛豆）是一种广泛分布于热带和亚热带地区的多年生草本/灌木，其茎通常于花后收获，目前仅用于传统医药或土壤改良，作为纤维来源未见报道。因此，研究人员以灰毛豆茎层纤维（TPSF）为对象，通过系统的物理化学表征，建立其基础性能数据，以评估其作为绿色聚合物复合材料增强材料的可行性。该研究发表于《Next Materials》。

研究人员从印度泰米尔纳德邦马杜赖县的M. Kallupatti采集灰毛豆茎，经水浸脱胶、晒干、手工梳理提取纤维。采用多种技术表征了未处理TPSF的化学组成、密度、结晶性、化学官能团、碳环境、热稳定性、表面形貌、元素组成、表面粗糙度及拉伸性能。样本采集自印度泰米尔纳德邦马杜赖县。主要技术方法包括：基于Kurshner-Hoffer、NFT 12-008和Klason法的化学成分分析；比重瓶法测密度；X射线衍射（XRD）测定结晶度指数（CI）和微晶尺寸；傅里叶变换红外光谱（FTIR）鉴定官能团；固态¹³C CP-MAS核磁共振（NMR）分析碳环境；热重分析（TGA）评估热稳定性和动力学活化能；扫描电子显微镜（SEM）观察表面形貌；能量色散X射线能谱（EDX）测定元素组成；原子力显微镜（AFM）测量表面粗糙度；以及按ASTM D3822-07标准的单纤维拉伸试验。

**3.1 化学成分分析结果-TPSF**：结果表明未处理纤维含63.87±6.28 wt%纤维素、14.26±6.24 wt%半纤维素、12.82±3.57 wt%木质素，以及低蜡含量（0.42±0.08 wt%）和中等水分（10.26±4.22 wt%）、灰分（8.42±3.21 wt%），显示其具有良好力学性能潜力。

**3.2 密度分析结果-TPSF**：测得密度为844±26.47 kg/m³，低于玻璃纤维、碳纤维及许多天然纤维，适用于轻质复合材料。

**3.3 XRD分析结果-TPSF**：衍射峰位于2θ=22.89°和14.85°，对应(200)和(1-10)晶面，CI为86.59%，微晶尺寸为4.48 nm，表明纤维素I结构有序度高。

**3.4 FTIR分析结果-TPSF**：检测到羟基（-OH）、羰基（C=O）、芳香环等官能团，与纤维素、半纤维素和木质素特征相符。

**3.5 NMR分析结果-TPSF**：¹³C CP-MAS NMR证实存在结晶和非晶纤维素域、乙酰化半纤维素，C4峰确认有序纤维素链。

**3.6 TGA结果-TPSF**：热稳定性达225 °C，主要降解发生在329 °C（半纤维素和纤维素开始降解）和495 °C（纤维素和炭化），动力学活化能为88.33 kJ/mol。

**3.7 SEM分析结果**：表面显示粗糙纹理、多孔结构和暴露的微纤丝，有利于与聚合物基体机械互锁，但存在蜡质杂质。

**3.8 EDX分析结果**：主要元素为碳（58.79 wt%）、氧（38.56 wt%）以及少量钙、钾。

**3.9 AFM分析结果**：平均粗糙度Ra=8.386 nm，均方根粗糙度Rq=14.317 nm，表面偏度Rsk=-3.497，峭度Rku=19.413，表明表面为谷主导型，有利于树脂渗透和机械锚定。

**3.10 拉伸试验结果**：单纤维拉伸强度为336.1±27.23 MPa，拉伸模量2.739±0.1483 GPa，断裂应变5.79±1.10%，微纤丝角19.53±1.76°。

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