油棕纤维素纳米纤维增强竹/红麻-PLA混合复合材料的性能优化及其可持续家具应用研究

《Journal of Natural Fibers》：Physical, Mechanical and Thermal Properties of Oil Palm Cellulose Nanofiber Filled Natural Fiber Reinforced Polylactic Acid Hybrid Composites for Sustainable Furniture

本研究系统探讨了油棕纤维素纳米纤维（OPCNF）作为填料对竹纤维/红麻纤维增强聚乳酸（PLA）混合复合材料物理、力学及热学性能的调控作用。通过优化OPCNF添加比例（0.1–0.5 wt%），复合材料在0.1%负载下实现最高拉伸强度（40.28 MPa）与模量（2858.36 MPa），且密度降低5.09%。研究证实OPCNF的引入未显著影响材料热稳定性（T20/T50值稳定），同时玻璃化转变温度（Tg）与冷结晶温度（Tcc）分别提升至62.14°C与110.74°C。该工作为开发轻量化、高性能生物基家具材料提供了新策略。

　　

引言

木质聚合物复合材料（WPC）面临废弃物处理、木材过度开采及环保法规收紧等挑战。本研究以竹纤维和红麻纤维作为天然纤维增强相，结合生物可降解聚合物聚乳酸（PLA）构建混合复合材料。然而，天然纤维与PLA基体间的亲疏水性差异导致界面相容性差，限制其力学与热学性能。为此，研究引入油棕纤维素纳米纤维（OPCNF）作为纳米填料，旨在通过界面调控提升复合材料综合性能，拓展其在家具领域的应用潜力。

材料与方法

实验采用马来西亚产竹材（Schizostachyum brachycladum）与红麻纤维（Hibiscus cannabinus），经5% NaOH溶液碱处理48小时后与PLA（Ingeo 2003D）及OPCNF通过熔融共混（190°C，50 rpm）及热压成型制备复合材料。样品按OPCNF添加量分为0NC（0%）、0.1NC（0.1%）、0.25NC（0.25%）和0.5NC（0.5%）四组，固定竹/红麻纤维总负载为30 wt%。采用密度测试、FTIR、吸水率、接触角、TGA/DTG、DSC、FESEM及拉伸试验系统表征材料性能。

结果与讨论

密度与化学结构

OPCNF的引入显著降低复合材料密度，0.5NC样品密度最低（1.5347 g/cm3），归因于纳米纤维的低密度特性。FTIR分析显示，OPCNF填充样品在1577 cm^?1和1542 cm^?1处出现木质素芳香环C=C伸缩振动峰，表明OPCNF中残留木质素可能影响PLA结晶行为。

吸水性与界面相容性

OPCNF的亲水性导致复合材料吸水率随其负载量增加而上升，0.5NC样品吸水率最高（2.058%）。接触角测试进一步证实OPCNF填充样品亲水性增强。FESEM显示0.1NC样品中OPCNF分散均匀，而0.25NC和0.5NC样品出现纳米纤维团聚，导致界面缺陷。

力学性能

0.1NC样品表现出最优力学性能：拉伸强度40.28 MPa、模量2858.36 MPa、断裂伸长率2.27%，显著优于未填充样品（0NC）及传统家具材料（如纯PP的35.35 MPa）。性能提升归因于OPCNF的均匀分散及与PLA的界面应力传递效应。高负载样品因OPCNF团聚导致力学性能下降。

热学性能

TGA表明OPCNF的添加未明显改变复合材料的热稳定性（T₂₀/T₅₀值接近），但最大降解温度（T_max）略有降低。DSC分析显示0.25NC样品的T_g和T_cc分别升至62.14°C和110.74°C，归因于OPCNF限制PLA分子链运动；而熔点（T_m）未发生显著变化，表明晶体结构未受明显影响。

结论

OPCNF的引入可有效优化竹/红麻-PLA复合材料的力学与热学性能，其中0.1%为最佳负载量。该研究为家具行业提供了一种轻量化、高强度的生物基替代材料，同时强调了纳米填料分散性对性能调控的关键作用。未来需进一步解决材料亲水性问题，并拓展至工业级成型工艺验证。