《Journal of Renewable Materials》：Recent Advances in Hydrothermal Carbonization of Biomass: The Role of Process Parameters and the Applications of Hydrochar
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本文系统综述了天然纤维增强复合材料（NFRC）在建筑保温板中的应用潜力，重点分析了纤维微观结构（如纤维腔尺寸α）、物理机械特性（如纤维-基体导热系数比β）及外部因素（如湿度、加工工艺）对横向导热系数（TTC）的影响机制，为开发高隔热性、低环境影响的NFRC材料提供了理论依据。
1. 引言
建筑行业是全球碳排放的主要来源之一，开发低碳环保材料成为当务之急。传统保温材料（如泡沫绝缘材料和玻璃纤维）存在健康风险（如呼吸道刺激）和环境问题（如废弃处理困难），而天然纤维增强复合材料（NFRC）因其低导热性（通常为0.050–0.150 W·m?1·K?1）、生物可降解性和碳汇特性，成为理想替代品。NFRC保温板可通过优化纤维类型（如大麻、黄麻）、纤维含量（重量百分比10%–90%）和加工工艺，平衡隔热性能与机械强度，助力建筑节能。
2. NFRC的导热特性
NFRC的导热性能具有正交各向异性，纵向导热系数高于横向。例如，单向排列的纤维在沿纤维方向导热系数较高，而横向导热系数（TTC）受纤维腔尺寸（α）和纤维-基体导热系数比（β）显著影响。研究表明，α增大（如苎麻纤维的大腔结构）可降低TTC，而β升高（如纤维与环氧树脂的导热差异）会增加TTC。纤维含量增加通常降低整体导热性，例如椰壳-三聚氰胺脲醛复合材料在纤维含量90%时导热系数仅0.093 W·m?1·K?1，但过量纤维可能削弱纤维-基体界面结合。
3. 天然纤维的物理与机械特性对导热性能的影响
3.1 微观结构
植物细胞壁的多层结构（初生壁、次生壁和中央腔）是影响导热的关键。纤维素微纤维的纵向排列导致沿纤维方向导热系数较高，而横向热流受腔体结构阻碍。例如，苎麻纤维因大腔尺寸（α值高）表现出更低的TTC，而竹纤维因腔体细小则TTC相对较高。
3.2 物理特性
纤维密度和含水率显著影响隔热性能。高湿度环境会提升导热性，因水（导热系数约0.6 W·m?1·K?1）替代了空气（导热系数约0.026 W·m?1·K?1）的隔热作用。此外，纤维体积分数增加可降低导热系数，如香蕉-聚丙烯复合材料中纤维含量从10%增至50%时，导热系数从0.217降至0.157 W·m?1·K?1。
3.3 机械特性
NFRC的机械强度（如拉伸强度、刚度）需与隔热性能协同优化。高纤维含量虽可增强力学性能，但可能增加导热性。例如，碱性处理（如NaOH处理）可改善纤维-基体粘附，提升导热均匀性；而乙酰化处理则能增强疏水性，将导热系数控制在0.050 W·m?1·K?1以下。
4. NFRC的横向导热系数（TTC）
TTC测量垂直于纤维方向的热传导。研究表明，纤维腔尺寸（α）与TTC呈负相关，而纤维-基体导热比（β）呈正相关。数值模型（如SAPF单元模型）证实，α增大可降低TTC，例如苎麻-环氧复合材料中α值升高使TTC线性下降。此外，单向纤维排列比随机分布更利于降低TTC。
5. 影响NFRC导热性能的外部因素
5.1 纤维预处理
机械加工（如切割、梳理）可能损伤纤维结构，影响导热一致性。碱性或乙酰化处理可提升纤维-基体相容性，如经NaOH处理的肯特纤维-环氧复合材料导热系数降低。
5.2 制造工艺
纤维体积分数和压实密度对导热性有双重影响：高密度可减少气隙、降低导热，但过度压实可能增加纤维接触导热。制造缺陷（如纤维分布不均）会引发局部热桥。阻燃添加剂（如硼酸、氢氧化镁）虽提升防火性，但过量使用（如5%可膨胀石墨）可能增加导热系数。
5.3 环境因素
高温（>200°C）会导致纤维降解（如木质素在200°C分解），而高湿度环境使吸水率上升，导热系数增加。长期暴露于紫外线或微生物环境可能引发生物降解，需通过热改性或酶处理提升耐久性。
6. 未来展望
未来研究需聚焦于开发高隔热性（TTC <0.050 W·m?1·K?1）、高阻燃的NFRC板材，并优化自动化制造工艺以控制孔隙率。同时，应依据ISO 6324:2024等标准评估长期环境适应性，推动NFRC在绿色建筑中的规模化应用。
7. 结论
NFRC保温板通过调控纤维微观参数（α、β）和外部工艺，可实现低导热性与环境可持续性的统一。然而，需进一步解决纤维-基体界面、环境耐久性及标准化生产问题，以替代传统合成保温材料，助力建筑行业碳中和目标。
