《Bioresource Technology Reports》：Enhancing vibrational energy absorption in banana stem fibers through π–π stacking of curcumin on lignocellulose and structural reorganization by microwave irradiation
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香蕉茎纤维经姜黄素浸渍及微波处理提升振动吸能性能。研究显示姜黄素通过π-π堆积与纤维形成氢键网络，结合微波诱导结构重组，使纤维的阻尼比达0.049±0.006，振动加速度降低至0.087±0.008 m/s2，突破ISO 2631舒适阈值。该低能耗工艺实现生物废料向高阻尼材料的转化，为振动控制材料提供可持续替代方案。
Hastawati Chrisna Suroso | Eko Siswanto | Sugiono | I.N.G. Wardana
布拉维贾亚大学机械工程系，印度尼西亚玛琅MT. Haryono路167号，65145
摘要
木质纤维素生物质是一种有前景的可再生平台，可用于生产高价值的功能性材料。本研究提出了一种基于生物的改性策略，通过姜黄素浸泡处理后再进行微波诱导的结构重组，来提高香蕉茎纤维的振动能量吸收性能。姜黄素最初与木质纤维素形成无序的π–π堆叠相互作用，而微波辐照则促进这些相互作用重新定向为更有序的结构。这种重组增强了分子间的电子流动性，从而改善了振动能量的耗散。经过姜黄素处理的纤维表现出最高的阻尼比（ζ约为0.049 ± 0.006），但其RMS加速度有所增加。微波处理将RMS加速度降低到0.087 ± 0.008 m/s2，这几乎低了一个数量级，并且远低于ISO 2631标准规定的舒适阈值。这种组合工艺利用低能耗和可扩展的方法，将低价值的生物废弃物转化为高性能的阻尼材料，展示了其作为合成振动隔离材料可持续替代品的潜力。
引言
木质纤维素生物质作为一种可持续资源，在开发高价值功能性材料方面日益受到重视，尤其是在全球工业向更绿色、更循环的材料战略转型的背景下（Tu和Hallett，2019）。除了在生物精炼和生物能源领域中的广泛应用外，木质纤维素生物质还具备可以工程化的结构和功能特性，适用于阻尼、声学绝缘、包装和复合材料增强等更广泛的用途。在运输平台、农业机械、工业设备和人机界面等对振动敏感的系统中，长期暴露于机械振动会导致结构退化、操作人员不适以及根据ISO 2631标准定义的长期生理压力（Zhao和Schindler，2014）。这些问题加剧了人们对可生物降解的振动衰减材料的研究兴趣，因为合成聚合物通常具有较差的环境兼容性和有限的生命周期回收性。
在天然纤维中，香蕉茎纤维作为一种丰富的生物废弃物材料脱颖而出，具有许多有利特性。先前的研究表明，它具有低密度、高比强度、良好的刚度重量比以及在循环载荷下良好的能量耗散能力（Ali等人，2022；Gupta等人，2020）。这些特性使得香蕉茎纤维适用于座椅结构、地板面板、支撑模块和振动隔离层等组件的振动减振。然而，未经处理的木质纤维素纤维存在内在的分子级限制，包括不规则的芳香族堆叠、受限的电子离域、多孔且不均匀的微观结构以及高浓度的羟基，这些因素会增加吸湿性并降低分子间的凝聚力（Gupta等人，2020）。因此，原始纤维结构在动态振动条件下缺乏分子稳定性，从而降低了其有效吸收能量的能力。
越来越多的研究探索了利用微波能量来改变化学纤维素生物质的物理和化学结构。（Ethaib，2024）强调了微波预处理在降低活化能、增强界面传输和改善底物消化性方面的新颖性，其效果强烈依赖于暴露时间、功率水平和水分含量等参数。尽管这些研究很有价值，但它们主要针对生物精炼应用，并未探讨如何利用微波诱导的结构变化来重新组织芳香族结构、增强分子凝聚力或改善与阻尼性能相关的机械性能（Romero-Zú?iga等人，2023）。
在分子尺度上，（Kustanto等人，2024）的研究表明，微波诱导可以改变RGO姜黄素C60杂化系统中的π–π堆叠排列并增加电荷流动性，这表明微波场能够影响电子相互作用和芳香族堆叠。然而，这些发现仅限于工程化的石墨烯基系统，尚未扩展到天然木质纤维素纤维。此外，现有的研究主要集中在热转化应用上，尚未探索利用姜黄素作为分子修饰剂来增强生物质衍生材料的振动阻尼性能。值得注意的是，很少有研究人员考虑利用π–π堆叠相互作用增强电子流动性作为在这种系统中耗散机械振动能量的机制。
在此背景下，本研究探讨了富含姜黄素的姜黄提取物（主要由姜黄素及其相关化合物组成）如何引入能够与纤维素、半纤维素和木质素形成氢键的芳香族π-共轭结构（Li等人，2021）。姜黄素被认为是提取物中的主要活性成分，它提供了影响纤维网络中分子关联的π-堆叠潜力和氢键功能。
姜黄素的芳香性质有助于微结构的对齐，调节与羟基相关的极性，并促进纤维基质内的局部致密化——这些因素有助于提高粘弹性行为和结构稳定性（Li、Zhuo和Wang，2021；Moghaddam等人，2021）。然而，单独使用姜黄素处理并不能完全解决芳香族结构无序或分子有序性不足的问题，表明需要采用补充的活化方法来实现更连贯的结构组织。
微波辐照提供了一种补充机制来增强这些效果。通过介电加热，微波能量促进了分子链的流动性，促进了局部结构重组，并增加了芳香族结构的对齐。先前的研究还表明，微波处理可以增加表面粗糙度，降低吸湿性，并改善纤维的内部形态。然而，姜黄素处理与微波辐照在木质纤维素纤维中的联合作用尚未得到系统研究。理解这种相互作用对于开发高性能的生物基阻尼材料至关重要。
本研究调查了姜黄素处理和微波辐照对香蕉茎纤维的结构、化学和振动性能的协同效应。评估了三种配置：未经处理的纤维、经过姜黄素处理的纤维以及经过姜黄素处理后进行微波辐照的纤维。振动性能通过RMS加速度、阻尼比和tan δ值（参考ISO 2631标准）进行评估，以评估材料在振动敏感环境中的适用性。使用FTIR、FESEM EDS、XRD（结合Rietveld精修）和热重分析方法对微观结构和化学变化进行了表征（Guruguntla和Lal，2022；de la Hoz-Torres等人，2022）。这项工作提出了一种新的生物质增值途径，通过微波活化重新组织姜黄素诱导的π–π堆叠，从而生产出高性能的生物基阻尼材料。研究结果提供了一种可扩展、节能且环境友好的策略，将生物废弃物转化为适用于需要振动控制的关键工程应用的功能性材料。
部分摘录
纤维提取
香蕉假茎（Musa属，Musaceae科），主要来自常见的本地香蕉品种如Musa acuminata及其相关栽培种，从印度尼西亚东爪哇的当地种植园获取，作为主要的木质纤维素材料。这些茎秆通过去皮机进行机械加工，未使用化学添加剂。提取的纤维用清水彻底清洗以去除汁液残留物和表面杂质，然后进行风干。
通过FESEM观察的表面形态
表面形态在控制基于天然纤维的阻尼系统的界面行为和能量耗散机制中起着关键作用。因此，理解表面改性引起的形态变化对于提高基于生物的振动隔离器的性能至关重要。
场发射扫描电子显微镜（FESEM）显示，未经处理的香蕉茎纤维（BSF）、经过姜黄素处理的香蕉茎纤维以及
结论
本研究通过姜黄素功能化处理后再进行微波活化，研究了香蕉茎纤维（BSF）在结构、热性能和振动性能方面的提升。未经处理的BSF具有富含羟基的非晶态结构，结晶度较低，电荷流动性受限，振动衰减能力一般。姜黄素处理引入了芳香族和羰基官能团，增强了粘弹性耗散，从而实现了最高的阻尼效果。
CRediT作者贡献声明
Hastawati Chrisna Suroso：撰写——初稿、可视化、软件开发、方法论、数据分析。Eko Siswanto：指导、概念化。Sugiono：指导、概念化。I.N.G. Wardana：撰写——审稿与编辑、数据管理、概念化。
资助
本研究工作未获得任何外部资助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢Sepuluh Nopember理工学院振动工程与汽车系统实验室、布拉维贾亚大学综合研究实验室以及布拉维贾亚大学数学与自然科学学院化学系的分析与测量服务实验室在整个研究过程中提供的实验设施、技术支持和仪器设备。
