NaOH处理蕉麻、亚麻与大麻纤维的对比表征及其可持续复合材料应用

《Materials Today Communications》：Comparative Characterization of NaOH-Treated Abaca, Flax, and Hemp Fibers for Sustainable Composite Applications

　　

天然纤维作为低密度、可再生的增强材料，在可持续复合材料应用中日益受到关注。在本研究中，研究人员研究了经碱处理的蕉麻、亚麻和大麻纤维的结构和水吸附行为。这些纤维在30 °C下用氢氧化钠（NaOH）溶液分别处理1、2和3小时。采用重量差法测定水吸收量。结果表明，延长处理时间增加了蕉麻（0.47 g至4.8 g）和大麻（0.9 g至6.04 g）纤维的水吸收量，而亚麻表现出最高的吸收量，从1.1 g升至8.1 g，随后略微下降至6.9 g，提示长时间暴露可能导致结构降解。XRD测试证实了所有样品中纤维素-I结晶结构的保留，在2θ ≈ 16°和22–23°处出现显著衍射峰，其中亚麻的结晶度最高。SEM分析揭示了纤维依赖性的表面形貌差异，包括沟槽、原纤化、局部点蚀以及原纤维结构的保留。FTIR光谱显示出典型的木质纤维素官能团区域，并支持处理纤维中富含纤维素结构的保留。这些发现凸显了处理后的天然纤维在轻量化、可持续应用（特别是航空材料）中的潜力。

天然纤维（natural fiber）因具有低密度、可再生、生物可降解和比性能优势，正成为玻璃纤维和碳纤维等合成增强体的潜在替代材料。然而，天然纤维固有的亲水性主要来自纤维素、半纤维素和木质素，导致吸湿性大，与疏水性聚合物基体界面结合不良，从而降低复合材料的耐久性和力学性能。碱处理（alkali treatment，又称丝光化）是应用最广的化学改性方法之一，通常采用氢氧化钠（NaOH）去除纤维表面的半纤维素、木质素、果胶、蜡质和油脂，以获得更清洁、更粗糙的表面并暴露更多纤维素微纤丝，从而改善纤维-基体粘合。此前研究多针对单一纤维，很少在同一处理条件下对蕉麻（abaca）、亚麻（flax）和大麻（hemp）进行系统比较；此外，天然纤维复合材料在航空工程中的应用探索仍然不足。因此，本研究旨在对比评估相同碱处理条件下三种天然纤维的晶体结构、表面形貌、化学结构和吸水行为，为轻量化航空复合材料筛选纤维提供依据。

研究人员从印度泰米尔纳德邦钦奈的Go Green Products公司购买商用蕉麻、亚麻和大麻纤维，手工清理并切成均匀长度，采用5 wt.% NaOH溶液在30 °C下分别处理1、2、3小时。通过重量差法测定处理前后纤维的吸水行为；利用X射线衍射（XRD）评价晶体结构与结晶度指数（CrI）；利用扫描电子显微镜（SEM）观察表面形貌；利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析化学官能团。主要技术方法包括：碱处理（5 wt.% NaOH，30 °C，1/2/3 h）；重量差法（依据ASTM D570-22，精度±0.001 g）；SEM（依据ASTM E986-04，加速电压5–20 kV，放大倍数最高50,000×，喷金处理）；FTIR（波数4000–400 cm^-1，分辨率4 cm^-1，依据ASTM E1252-98）；XRD（Cu-Kα辐射，λ=1.5406 ?，2θ扫描范围10°–80°，扫描速率2°/min）。结晶度指数按Segal公式计算，表观晶粒尺寸按Scherrer方程估算。

4.1 Effect of Alkali Treatment on Water Absorption Behaviour：重量法测试表明，处理时间延长使蕉麻纤维吸水重量由未处理的0.47 g依次增至2.9 g、3.4 g和4.8 g；大麻纤维由0.9 g增至4.6 g、4.7 g和6.04 g；亚麻纤维吸水最高，由1.1 g升至1 h后的7.7 g和2 h后的8.1 g，但3 h后降至6.9 g。这说明碱处理逐步去除表面杂质和无定形组分，增加孔隙率和羟基与水相互作用；亚麻的后期下降可能由长时间碱暴露引起纤维素网络破坏和孔结构塌陷。

4.2 X-Ray Diffraction (XRD) Analysis：XRD图谱显示所有处理纤维均保留纤维素I（cellulose I）的典型衍射特征，主峰位于2θ≈22–23°（对应(200)晶面），并伴有16°附近峰和无定形肩峰。用Segal法计算得到蕉麻CrI为59.82%，亚麻为73.31%，大麻为72.82%，表观晶粒尺寸分别约为4.30、4.15和4.48 nm。可见亚麻和大麻结晶度相当且较高，蕉麻无定形组分贡献更大，这与纤维来源和化学成分有关。

4.3 Surface Morphology Analysis (SEM)：SEM在50 μm和10 μm尺度下观察到纤维依赖的形貌差异。蕉麻表面破坏最显著，存在深而规则的纵向沟槽、局部点蚀、原纤化及部分外层细胞壁分层，表明脱除非纤维素物质较多；亚麻表面相对光滑连续，原纤维束排列规则，仅有少量剥落，说明处理对其结构干扰较小；大麻呈中间形态，表面有板状碎片和相互连接的网状原纤维。这些差异与各纤维的化学组成和细胞壁结构有关。

4.4 FTIR Analysis：FTIR光谱显示三种处理纤维均出现典型木质纤维素吸收区域：3200–3600 cm^-1的O–H伸缩振动，2920–2850 cm^-1的脂肪族C–H伸缩，1730–1745 cm^-1的羰基C=O（半纤维素和果胶），1505–1515 cm^-1和1240–1260 cm^-1的木质素相关振动，以及1420–1430、1030–1050和895–900 cm^-1的纤维素相关振动。这表明碱处理后纤维素为主的化学结构被保留；由于未处理纤维的FTIR未在本研究测试，无法定量评估非纤维素组分的去除程度。

4.5 Comparison with Conventional Glass and Carbon Fibers：与文献中E-玻璃纤维和碳纤维相比，三种天然纤维的典型密度（约1.4–1.6 g/cm3）显著低于玻璃纤维（约2.5–2.6 g/cm3）和碳纤维（约1.76–1.93 g/cm3），但天然纤维的湿敏性明显更高。本研究的水吸收测试仅针对三种天然纤维，未对合成纤维进行测试；密度和湿敏性数据引自文献。综合来看，这些天然纤维适用于非承力的轻质结构、绝缘和内饰等，难以替代碳纤维用于主承力航空结构；碱处理过程产生的化学物质、漂洗水和废液需要管理，可持续性优势应结合环境影响综合评估。

讨论部分，研究人员认为，碱处理对不同纤维的改性效果差异与纤维的化学组成、细胞壁组织和来源有关。结晶度和晶粒尺寸反映纤维素有序性的不同侧面，不应互换使用。与合成纤维相比，天然纤维的吸水性和界面问题仍是主要短板。为了应用于航空结构，还需开展力学、热学、阻燃和耐久性研究。同时，虽然天然纤维可再生和可回收，但NaOH处理及其后处理增加环境负担，可通过碱液循环再利用减轻。

结论部分翻译：本研究比较了NaOH处理的蕉麻、亚麻和大麻纤维在可持续复合材料中的潜在应用，研究了碱处理对晶体结构、表面形貌、化学组成和吸水行为的影响。吸水测试显示，处理1、2、3小时后蕉麻纤维重量从0.47 g增至2.9 g、3.4 g和4.8 g，这可能与孔隙率增加和纤维亲水性提高有关；大麻纤维表现出较快反应，重量从0.9 g增至4.6 g、4.7 g和6.04 g，表明其表面改性受控且抗碱损伤能力较强；亚麻纤维在长时间处理下吸水最高，从1.1 g增至1 h后的7.7 g和2 h后的8.1 g，但3 h后降至6.9 g，暗示长时间碱暴露可能导致结构损伤。XRD证实所有纤维保持纤维素I结晶结构，在2θ≈16°和22–23°处出现峰，亚麻的结晶度指数最高（73.31%），其次为大麻（72.82%）和蕉麻（59.82%）。SEM观察到纤维依赖的表面形貌差异，蕉麻表面破坏最显著，包括纵向沟槽、点蚀、原纤化和部分分层；亚麻相对平滑且原纤维连续；大麻呈中间形态和网状表面。FTIR分析显示羟基、C–H、羰基、木质素和纤维素相关吸收区，1420–1430、1030–1050和895–900 cm^-1处的纤维素相关谱带仍然存在，支持处理后纤维素结构的保留；由于未获得未处理样品的实验光谱，无法直接定量评估化学组分去除程度。与玻璃纤维和碳纤维相比，这些天然纤维密度低且可回收，结合本研究结果，它们可应用于绝缘和内饰等次级构件；但相对较高的湿敏性是其劣势。为用于飞行器结构，还需进一步研究这些纤维的力学、热学、阻燃及耐久性能。这些纤维的可持续性优势应与化学处理、漂洗及废液管理相关的环境负担一并考虑。