生物废弃物填料增强黄麻-香蕉-酚醛树脂杂化复合材料力学与热性能的实验研究与人工神经网络预测

《Journal of Natural Fibers》：Enhancing Mechanical and Thermal Properties of Jute-Banana-Phenol Formaldehyde Hybrid Composites Using Bio Waste Fillers: Experimental Study and ANN Prediction

本研究通过实验与人工神经网络（ANN）建模，系统评估木屑、稻壳粉和椰子壳粉三种生物废弃物填料对黄麻-香蕉-酚醛树脂（JB-PF）杂化复合材料性能的增强作用。结果表明，椰子壳粉（JBC）填料因硬度高、表面粗糙，显著提升复合材料的拉伸强度（66.24?MPa）、弯曲强度（95.85?MPa）、层间剪切强度（ILSS，4.96?MPa）和冲击强度（121.78?J/m），并通过扫描电镜（SEM）和热重分析（TGA）验证其界面结合与热稳定性优势。ANN模型对力学性能的预测准确率达79.53%~85.40%，优于线性回归模型。该复合材料在多项性能上超越汽车工程塑料（如ABS），具备作为环保替代材料的潜力。

　　

材料与制备方法

研究选用黄麻和香蕉纤维编织毡作为增强体，酚醛树脂（PF）为基体，填充5?wt.%的木屑（JBW）、稻壳粉（JBR）和椰子壳粉（JBC）三种生物废弃物填料。通过热压工艺（120°C、1.0?MPa、20?min）制备复合材料，确保填料均匀分散与界面结合。

力学性能分析

拉伸性能：JBC复合材料表现出最优的拉伸强度（66.24?MPa）和模量，归因于椰子壳颗粒的刚性结构促进机械互锁和裂纹阻滞；JBR因硅质刚性次之，而JBW因木质柔软性增强效果较弱。

弯曲性能：JBC的弯曲强度达95.85?MPa，其粗糙表面有效抑制层间开裂；JBR和JBW分别因硅含量和纤维结构呈现中等增强效果。

层间剪切强度（ILSS）：JBC的ILSS最高（4.96?MPa），填料通过增强纤维-基体黏附力延缓分层失效。

冲击性能：JBC的冲击强度（121.78?J/m）较未填充样品（JB）提升28.73%，因硬质填料促进能量吸收与裂纹偏转。

热性能与微观结构

热稳定性：TGA显示JBC的起始分解温度最高（265°C），残炭率表明其热稳定性优于其他填料；DSC曲线中JBC的玻璃化转变温度（T_g）为55°C，证实填料提升基体耐热性。

SEM分析：JBC断面以纤维断裂为主，表明强界面结合；而JB样品出现纤维脱粘，界面较弱。

ANN模型预测

以纤维素、半纤维素和木质素含量为输入，ANN模型对拉伸、弯曲和冲击强度的预测准确率分别为79.53%、80.44%和85.40%，显著优于线性回归模型（50.85%~73.25%），证明ANN能有效捕捉填料成分与力学性能的非线性关系。

应用潜力

与汽车级塑料（ABS）相比，JBC复合材料的拉伸强度提升268%，冲击强度提升102.97%，且具备可降解、轻量化优势，适用于汽车内饰件等非结构部件，符合可持续制造需求。