优化凯纳夫纤维与氢氧化钠的处理工艺，以提高经处理的凯纳夫纤维轻质泡沫复合材料的力学性能

《Ain Shams Engineering Journal》：Optimizing kenaf fibre sodium hydroxide treatment to enhance the mechanical properties of treated kenaf fibre lightweight foamed composites

　　郝毅·里士满·钟 | 孙康·林 | 明坤·尤 | 杰霍克·林
马来西亚雪兰莪州瓜让市双溪龙镇双溪龙路，李光谦工程与科学学院土木工程系，43000

**摘要**
氢氧化钠（NaOH）碱处理的成熟有效性在于解决了 Kenaf 纤维（KF）作为复合增强材料时所存在的问题，如内在的粘结性和相容性挑战。本研究旨在优化 NaOH 浓度和处理时间，以增强处理过的 Kenaf 纤维轻质泡沫复合材料（TKFLFC）的纤维-基体界面粘结性和机械性能。采用了一种全面的 12×8 因子实验设计，考察了低浓度（0.25–1.0 M）和高浓度（1.25–2.0 M）碱在不同处理时间（2–24 小时）下的综合效应，共包含了 96 种不同的处理配置，每种配置测试了 20 个纤维样本，总共测试了 1920 个样本。通过单纤维拉伸测试、纤维拔出测试、扫描电子显微镜结合能量分散 X 射线光谱（SEM-EDX）以及傅里叶变换红外光谱（FTIR）等方法对机械、界面和化学特性进行了分析，以确定纤维处理条件与性能表现之间的关系。结果表明，较高的 NaOH 浓度需要在较短的处理时间内达到最佳效果，而较低的浓度则受益于较长的处理时间。最佳条件为 0.75 M 浓度处理 20 小时（低浓度组）和 1.5 M 浓度处理 12 小时（高浓度组），分别获得了 582.87 MPa 和 600.88 MPa 的最高拉伸强度，并使纤维拔出界面强度比未经处理的纤维提高了约 36%。SEM-EDX 和 FTIR 分析证实非纤维素成分被大量去除，表面粗糙度得到改善，有利于纤维之间的机械咬合。将这些优化后的纤维加入 LFC 中后，其压缩强度、拉伸强度和弯曲强度得到了提升，同时可加工性略有下降。总体而言，本研究建立了碱处理优化与复合材料宏观性能之间的直接联系，突显了 TKF 在推进可持续高性能轻质复合材料方面的潜力。

**1. 引言**
LFC 相比传统泡沫混凝土具有显著优势，它提供了一种克服低密度和低强度之间固有矛盾的途径。LFC 技术的最新发展集中在通过修改基材和战略性地添加添加剂来提高机械性能。其中，纤维增强因其多功能性、高效性和易于集成到多种复合系统中的特点而备受关注。实际应用中，纤维通常直接引入水泥基体并均匀分散，以确保在浇注前达到均匀分布。虽然天然纤维的机械性能通常低于合成纤维，但 KF 由于其高强度重量比、低重量和丰富的可用性，成为一种更具可持续性、经济性和可扩展性的增强选择[1]。KF 来自苧麻植物（Hibiscus cannabinus）的韧皮部，是一种可持续且产量高的天然纤维资源，其中 40% 的茎秆可作为纤维使用，几乎是亚麻、大麻和黄麻的两倍[2]。化学上，KF 主要由纤维素（31–57%）组成，既包括结晶形式也包括非结晶形式，纤维素是决定纤维拉伸强度和刚度的主要成分[3]；半纤维素（21.5–23%）主要为非结晶形式，影响吸湿性和热稳定性[4]；木质素（15–19%）则起到天然粘合剂的作用，增加纤维的刚性并抵抗微生物降解[5]。蜡和果胶（<5%）等微量成分影响纤维表面特性和与基体的黏结性[6]。这些化学成分直接影响 KF 的特性和性能，进而影响其与 LFC 水泥基体的相互作用。

通过 KF 增强来提升 LFC 的机械性能主要取决于纤维与基体之间的应力传递效率[7]。KF 中丰富的纤维素含量赋予其显著的拉伸强度、杨氏模量和抗冲击性[8]，使其能够在基体中的微裂纹处起到桥梁作用，有效吸收和重新分配机械应力[9]。先前的研究一致表明，将 KF 添加到 LFC 中可以提高拉伸强度、弯曲性能和抗冲击韧性[10],[11],[12]。然而，有效的应力传递取决于多个关键因素，包括纤维的固有特性、纤维-基体界面粘结性以及纤维与基体的相互作用[13],[14]。但由于 KF 的亲水性及其高吸水能力，其与疏水性水泥基体的相容性较差[15],[16]。此外，木质素、半纤维素、蜡和果胶等非纤维素成分不仅会对水泥复合料的水化过程产生不利影响，还会抑制界面黏结，从而降低复合材料的强度性能[17],[18]。为了解决这些问题，广泛采用 NaOH 进行碱处理，因其效果显著且易于应用。NaOH 处理可以去除木质素、半纤维素、蜡和表面杂质等非纤维素成分，暴露出更多的结晶纤维素，从而提高纤维表面粗糙度，增强纤维与基体的黏结[18],[19],[20]。这一过程还会通过将纤维表面的羟基（–OH）离子化为烷氧基（RO–，其中 R 代表天然纤维的有机成分）来破坏氢键[21]，降低纤维的亲水性和吸水能力，如方程式 1.0 所示[21]。亲水性的降低提高了与疏水性水泥基体的相容性，有助于改善纤维-基体界面粘结[22]。

**2. 实验程序**
本研究提出了一种新的优化框架，用于碱处理过的 KF，以增强其在 LFC 中的界面粘结行为和增强效率。采用了一种 12×8 因子实验设计，NaOH 浓度从 0.25 M 变化到 2.0 M，处理时间从 2 小时变化到 24 小时。通过单纤维拉伸测试、纤维拔出测试以及 SEM-EDX 和 FTIR 进行的微观结构和化学分析，全面评估了纤维特性，以确定能够改善纤维性能和纤维-基体界面粘结的最佳碱处理条件。随后将这些优化处理的纤维加入 LFC 中制备 TKFLFC，并评估其压缩强度、劈裂拉伸强度和弯曲强度。这种综合实验框架深入了解了碱处理参数如何改变纤维表面特性，并建立了纤维优化与复合材料机械性能之间的直接关联。下文详细介绍了本研究使用的材料、处理过程、样品制备和测试方法。

**2.1 材料**
本研究使用的材料包括水泥、细骨料、水和合成发泡剂以及 KF。这些材料的选择基于它们与 LFC 系统的适用性以及通过纤维增强来提升机械性能的潜力。材料的详细属性和规格见表 2。

**表 2. TKFLFC 的材料概要**

| 材料 | 描述 | 标准化 | 质量保证 | 筛分粒径 |
|-----------|----------------------------------------|-----------------|-----------------|-------------------------|
| 水泥 | 普通波特兰水泥（OPC）－CEM I 52.5 N | YTL | MS EN 197–1 [32]; ASTM C 150 [33] | MS ISO 9001; MS ISO 14001; OHSAS 18001; MS ISO 50001 | 300 μm |
| 细骨料 | 河沙 | MS 29: 1995 | 600 μm | 105 ± 5°C; 24 h; 烘干 |
| 水 | 混合用水 | UTAR 土木实验室 | ASTM C 1602 [35] | 25 ? 26°C |
| Kenaf 纤维 | 长度；直径范围；体积密度 | 当地 Kenaf 植物来源 | 3 ± 1 cm（用于浇铸）；6 cm（用于纤维性能测试）: | 0.06 ± 0.01 mm（单根）；1.5 ± 0.1 mm（成束）: | 269–––307 kg/m3 [36]; 1.19 [37] |
| 发泡剂 | Sika AER-50/50 | ASTM C796 [38] | 泡沫与水的体积比为 1:20 | 45 kg/m3; 干混预发泡工艺（基于水泥的浆体和预成型泡沫独立生成）: | 泡沫在 0.6 MPa 下生成，混合前储存 |
| | |生产工艺 | | | |

**2.2 纤维处理和制备**
碱处理的效应受浓度和处理时间的共同影响：较低浓度需要更长的处理时间才能达到类似的表面改性效果，而较高浓度则能在较短的时间内产生类似的效果。鉴于这种相互依赖性，本研究采用了全因子设计（FFD）而非单因素设计（OFAT），以更清楚地理解浓度和时间的综合影响，并确定最佳处理条件[39]。因此，碱处理过的 KF 按照 12×8 因子实验设计进行制备，共包含 96 种不同的处理配置，每种配置测试了 20 个纤维样本，总共制备了 1920 个样本。配置包括 NaOH 浓度从 0.25 M 到 2.0 M（以 0.25 M 为增量），分为低浓度组（0.25–1.0 M）和高浓度组（1.25–2.0 M），处理时间从 2 小时到 24 小时，间隔为 2 小时。如图 1 所示，系统地评估了各处理参数对纤维特性和性能的影响。

**图 1. 纤维样本配置示意图**
处理过程首先将原始 Kenaf 纤维（RKF）剪切成 6 cm 长度。纤维经过彻底冲洗以去除表面灰尘和污染物，然后采用空气干燥而非 oven 干燥以避免意外燃烧。这些未经处理的干燥纤维被标记为 UKF。对于每种处理配置，根据指定的摩尔浓度制备 1 升 NaOH 溶液。纤维浸泡指定时间后，用蒸馏水彻底冲洗以去除残留的碱分，然后在自然条件下再次干燥。这些处理过的纤维被标记为 TKF，分别包装在密封的 zip 包中，待后续测试使用。RKF 转化为 TKF 的完整处理流程如图 2 所示。

**图 2. Kenaf 纤维处理流程图**
NaOH 溶液的浓度通常以百分比表示，例如 6% NaOH 指 100 mL 溶液中含有 6 克 NaOH。然而，现代科学更倾向于使用摩尔浓度（M）作为单位，因为它具有标准化、准确性和易于进行化学计量计算的优点[2.0][2.1]。摩尔浓度定义为每升溶液中溶质（NaOH）的摩尔数。由于 NaOH 的摩尔数可以通过其质量和摩尔质量计算得出，因此该公式可以重写为 [2.1]。该设备配备了精密负载传感器和位移控制系统，以准确获取应力-应变数据。在测试之前，蓝山（BlueHill）软件被配置了所需的参数。选择了单独的纤维，并使用数字卡尺至少测量了三次它们的直径，选择直径在0.06±0.01毫米范围内的纤维进行后续测试。每根纤维的长度控制在6厘米以内，并使用气动夹具安装，两端各夹紧2厘米，暴露出2厘米的测量长度。在夹具表面上涂抹了磨砂纸以增加摩擦力并减少滑动。加载速率被固定为0.01毫米/分钟。测试持续进行直到纤维断裂，然后根据记录的最大力计算出抗拉强度。图3展示了单根纤维抗拉强度测试的流程图。每种测试配置在20个样品上重复进行，以确保统计学显著性。对于每个浓度组，抗拉强度最高的肯纳夫纤维（TKF）样品被确定为最佳样品。使用公式（2.2）[42]计算了极限抗拉强度：(2.2)σUT = FA = Fπr2，其中σUT是极限抗拉强度（MPa）；F是最大轴向拉力（N）；A是纤维的横截面积（mm2）；r表示单根纤维的半径（mm）。

为了评估肯纳夫纤维束与水泥基体之间的界面粘结性能，根据ASTM D7913 [43]标准进行了纤维拔出试验，使用的是相同的Instron 5848微测试仪。纤维束被扭曲成均匀的直径1.5±0.1毫米，并在200毫米处标记用于嵌入，在400毫米处标记用于夹紧，暴露出200毫米用于加载。泡沫复合材料样品按照控制的比例混合后，浇铸到10毫米×160毫米×40毫米的模具中，每个模具嵌入四个纤维束。固化后，将样品从模具中取出，并将复合材料端固定在微测试仪的下夹具中，将暴露的纤维端固定在上夹具中。测试以0.5毫米/分钟的恒定加载速率进行，直到蓝山软件记录到最大拔出力，如图4所示。每种测试配置在10个样品上重复进行，并记录平均值。平均拔出界面强度使用类似于公式（2.2）的公式计算：(2.3)σUT = FA = F2πr′×L，其中σUT是极限抗拉强度（MPa）；F是最大拔出力（N）；A是纤维粘结的表面积（mm2）；r′表示纤维束的半径（mm）；L表示纤维的嵌入长度。

为了研究肯纳夫纤维（KF）在不同碱处理条件下的形态和化学特性，进行了SEM-EDX和FTIR分析。SEM-EDX分析使用的是Hitachi S-3400 N扫描电子显微镜，在15.0 kV的加速电压下进行，并配备了二次电子（SE）探测器和能量分散X射线（EDX）分析器用于元素成分评估。样品制备遵循ASTM C1723 [44]标准，将UKF和TKF切割成大约1厘米的长度，并在成像前喷涂一层薄金。FTIR分析使用Thermo Scientific Nicolet iS10光谱仪进行，以识别未经处理和处理过的纤维之间的官能团变化。分析直接在4000–4000 cm?1的波数范围内进行，每次扫描64次，光谱分辨率为4 cm?1。所得光谱用于检测与纤维素、半纤维素和木质素成分相关的特征吸收带，从而了解碱处理引起的化学变化。

2.4. 混合比例与样品制备
所有原材料的混合比例以每立方米千克表示，并使用绝对体积法为所有LFC配方设计。所有LFC采用了一致的混合比例，以评估TKF与UKF的比较效果以及不同处理参数的影响。本研究采用了固定的KF体积分数0.6%，以确保一致性，这与作者之前的工作结果一致。调整泡沫含量以确保所有混合物达到目标密度。表3总结了每种LFC的混合代码细节和混合设计比例。

表3. LFC混合比例总结。
材料（每立方米复合材料千克数）混合代码LFC-控制LFC-UKFLFC-TKF-OPT-低LFC-TKF-OPT-高水泥461.54458.79458.79458.79细骨料（沙子）461.54458.79458.79458.79水276.92275.28275.28275.28肯纳夫纤维（0.6%）?7.147.147.14泡沫含量18.10817.9917.9917.99水泥、沙子和水的比例1:1:0.6指定密度（千克/立方米）1200±50
详细信息：
- “LFC-控制”表示普通的轻质泡沫复合材料。
- “LFC-UKF”表示含有未经处理的肯纳夫纤维的轻质泡沫复合材料。
- “LFC-TKF-OPT-低”表示含有低浓度最佳处理的肯纳夫纤维的轻质泡沫复合材料。
- “LFC-TKF-OPT-高”表示含有高浓度最佳处理的肯纳夫纤维的轻质泡沫复合材料。

根据混合比例设计，LFC-控制、LFC-UKF、LFC-TKF-OPT-低和LFC-TKF-OPT-高样品被浇铸到适应相应机械测试的标准模具中：立方体用于抗压强度测试，圆柱体用于劈裂抗拉强度测试，棱柱体用于抗弯强度测试。样品在三个时间点进行固化并测试：7天（早期强度）、28天（标准测试年龄）和56天（长期性能）。表4详细总结了样品类型、尺寸和测试年龄。

表4. 复合材料机械测试的混合样品制备摘要。
测试样品类型尺寸（毫米）测试年龄（天）总长度宽度高度直径
72856压缩（BS EN 12390–3）立方体100100100?333×436
劈裂抗拉（BS EN 12390–6）圆柱体200??100333×436
抗弯（BS EN 12390–5）棱柱体1604040?333×436

2.5. 复合材料性能测试方法
新鲜状态下肯纳夫纤维（TKFLFC）的性能通过密度、倒塌坍落度和流动性测试来评估，以确定水泥基复合材料的可操作性、一致性和稳定性。新鲜密度测试遵循ASTM C138 [45]标准，使用1升测量容器测量TKFLFC的新鲜密度和硬化密度，以评估一致性和稳定性。一致性指的是新鲜密度与目标密度的比例，表明混合物与其设计比例的吻合程度；而稳定性则是新鲜密度与脱模密度的比例，反映了硬化后LFC中空气和水分含量的变化[46]。空气百分比定义为为了达到所需密度而混入基础混合物中的空气体积。倒塌坍落度测试遵循ASTM C1611 [47]标准，通过测量坍落流动直径来评估可操作性。同样，流动性测试遵循ASTM C230 [48]标准，通过记录达到最大流动时的滴数和扩散直径来评估流动性。流动性百分比使用公式（2.4）计算，其中在25次滴落时扩散最大为255毫米的混合物被指定为100%。其他混合物根据其与255毫米扩散量的关系表示为该参考值的百分比。(2.4)Fi% = (Si-S0)/Di(Sref-S0)/Di×100，其中：Fi = 第i种混合物的流动性百分比；Si = 第i种混合物的测量扩散直径（毫米）；Di = 第i种混合物的滴数；Sref = 255毫米（最大流动直径）；Dref = 25滴（最大参考滴数）；S0 = 100毫米的基础扩散直径。

肯纳夫纤维（TKFLFC）的机械性能通过抗压、劈裂抗拉和抗弯强度测试来评估。抗压强度测试遵循EN 12390–3 [49]标准，使用UTS自动压缩机（ADS 300/EL）进行。机器以0.05 kN/s的恒定加载速率运行，失效率为20%，初始基础负载为5 kN。劈裂抗拉强度评估基于EN 12390–6 [50] [50]标准。圆柱形样品放置在设计用于施加强度压缩的钢制加载笼中。使用相同的UTS压缩机，加载速率调整为0.5 kN/s。记录失败时的峰值负载以确定抗拉强度。抗弯强度测试根据EN 12390–5 [51]使用INSTRON 5582万能测试机进行，配置为三点弯曲测试。在测试前，在棱柱样品的相对面上画两条相距20毫米的平行线以帮助正确对准。样品以0.2毫米/分钟的恒定速率受到横向加载，直到失效。使用在断裂前承受的最大负载来计算抗弯强度。

3. 结果与讨论
结果和讨论部分分为两个主要部分。第一部分侧重于纤维性质的优化，研究碱处理参数对肯纳夫纤维（KF）的物理、化学和机械特性的影响，以及UKF的局限性。单根纤维的抗拉和拔出测试评估了机械性能，包括纤维强度和纤维-基体粘结效率，而SEM观察了表面微观结构变化，FTIR和EDX识别了与木质素和半纤维素去除以及纤维素暴露相关的化学和成分变化。第二部分讨论了含有最佳纤维的复合材料的性能，评估了优化纤维对LFCs机械和物理行为的影响。评估复合材料的新鲜和机械性能是为了证明纤维表面改性在提高整体复合材料性能方面的有效性。

3.1. 纤维性质的优化
研究首先从单根纤维的抗拉强度测试开始，以确定最佳处理配置，并阐明不同NaOH浓度和处理时间对纤维特性的影响。基于确定的最佳条件，在三种KF配方（UKF、TKF-OPT-Low和TKF-OPT-High）之间进行了比较性能评估。使用统计分析，包括标准差（SD）和变异系数（CV）来评估天然纤维固有的强度变异性。随后进行了纤维拔出测试，以评估TKF与水泥基体之间的界面粘结强度，补充了抗拉测试的结果，揭示了纤维-基体应力传递的有效性。通过SEM的形态观察进一步阐明了表面变化，如杂质去除、纤维化以及不同处理水平下的潜在降解。同时，FTIR和EDX分析用于表征官能团和元素组成的变化，提供了关于碱处理引起的化学变化的见解。

3.1.1. 单根纤维抗拉强度
图5a中的等高线图突出显示了最佳单根纤维抗拉强度的区域。在低浓度组中，最佳性能是在16至20小时的处理时间内实现的；而在高浓度组中，最高强度出现在较短的8至12小时处理时间内。可以看出，较高的NaOH浓度可以在较短的暴露时间内促进最佳改性，而较低的浓度则需要较长的处理时间才能达到类似的表面纯化和纤维增强效果。这些发现与之前的报告一致，即NaOH浓度和处理时间之间的精确平衡是关键，因为处理不足或过度处理都可能导致纤维表面改性不足或结构降解[52]。

图5b中的3D表面图提供了每个浓度组内实现的最高单根纤维抗拉强度的进一步见解。在低浓度组中，最佳条件是在0.75 M NaOH下处理20小时，平均单根纤维抗拉强度为582.87 MPa。高浓度组在1.5 M NaOH下处理12小时时达到了600.88 MPa的最大值，这不仅是高浓度组中的最高值，也是整体上最高的抗拉性能。这些结果与表1中的早期研究一致，其中确定1.5 M（6%）NaOH是最优处理浓度。在这种条件下，半纤维素、木质素和其他无定形杂质被有效去除，消除了微孔并减少了微纤维间的滑动诱导物质[53][54]。碱处理还有助于更好地排列和重组纤维素链，增加了结晶区域的暴露，从而提高了纤维的刚度和抗拉能力[55][56]。

图5c中的数值数据显示了不同处理组合下的抗拉强度。观察到KF单根纤维的抗拉强度范围可以从237.82 MPa变化到600.80 MPa，与[24][57]的研究结果相似。受到较低浓度和较短处理时间的纤维处理不足，导致强度较低。随着这两个参数的增加，抗拉强度首先提高，然后在处理时间过长或浓度过高时下降。这种模式归因于渐进式的表面净化，它增强了纤维的均匀性和抗拉强度[7]。然而，超过最佳处理限度后，过度暴露于NaOH会导致结构弱化和个人损伤，从而降低纤维的性能[58]。与图6中显示的UKF相比，最佳处理将平均抗拉强度提高了89%，从307.14 MPa（UKF）提高到582.87 MPa（TKF-OPT-Low）和600.88 MPa（TKF-OPT-High）。值得注意的是，高浓度组的最佳TKF相对于低浓度组进一步提高了3%的强度。高浓度组仅3%的强度优势支持了这样一个前提：有效处理需要在表面去污和纤维素稳定之间找到平衡。

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图6. 单纤维抗拉强度的比较分析：(a) 未经处理的肯纳夫纤维；(b) 低浓度最佳处理的肯纳夫纤维；(c) 高浓度最佳处理的肯纳夫纤维。

尽管如此，经过最佳NaOH处理后，单纤维抗拉强度的变异性显著改善。UKF组的标准差为210.75 MPa，变异系数为0.68。相比之下，最佳TKF组在一致性方面有了显著提升，TKF-OPT-Low组的标准差为131.74 MPa，变异系数为0.22，而TKF-OPT-High组的标准差为150.27 MPa，变异系数为0.25。有趣的是，低浓度组的均匀性比高浓度组更好。这些变异性的减少表明处理过程有效地去除了化学污染物，稳定了纤维素结构，并产生了更一致的纤维强度特性。同样，从先前的研究中得知，UKF特性的高变异系数（范围从6%到58%）通常归因于生物因素，如来源、浸渍方法和截面不规则性[59][60]。

3.1.2. 纤维拔出测试
纤维拔出测试通过将峰值拔出力与粘接表面积进行归一化来评估纤维-基体界面行为。由于它是根据粘接表面积而不是纤维横截面积进行归一化的，因此界面强度明显低于单纤维抗拉强度，这解释了尽管两者都是力对面积的测量，但数值上仍有很大差距（600 MPa对比0.046 MPa），如图7a所示。平均拔出强度（图7b）从UKF的约0.033 MPa提高到TKF-OPT-Low的0.045 MPa，提高了约36%，而TKF-OPT-High达到了类似的值（约0.046 MPa），表明两种优化路径都趋于实现相似的界面性能。图7c中的失效形态显示，UKF试样的拔出过程平滑，基体损伤最小，而最佳处理的纤维则导致部分基体断裂或拔出/纤维断裂，反映了更强的界面粘接。拔出测试结果与先前的研究结果一致，表明UKF由于表面杂质而表现出较弱的界面粘接，而水分通过削弱纤维素的氢键和降低纤维间的细胞凝聚力进一步恶化了纤维-基体的粘附[61][62]。从机制上讲，纤维拔出是纤维增强复合材料中的关键能量耗散机制，对其韧性和冲击能量吸收有显著贡献[63]。天然纤维复合材料的拔出行为通常分为两个连续阶段：首先是初始的脱粘，由界面粘附和静摩擦维持，然后是纤维滑移/拔出，由动摩擦控制[64]。通过适当的碱处理，通过去除表面污染物和暴露更多纤维素，纤维-基体界面粘接和机械互锁得到了明显增强，从而提高了拔出强度和应力承载能力[65]。

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图7. 纤维拔出测试结果：(a) 单纤维测试和拔出测试的几何示意图及面积计算；(b) 未经处理的肯纳夫纤维、低浓度最佳处理纤维（0.75 M 20H）和高浓度最佳处理纤维（1.5 M 12H）的平均拔出界面强度；(c) 复合材料的失效模式和纤维断裂。

3.1.3. 扫描电子显微镜（SEM）分析
图8的SEM图像显示，UKF样品表面相对光滑，但存在明显的表面污染物和杂质，包括半纤维素、木质素、果胶、蜡和灰尘。用0.5 M NaOH处理12小时后，表面得到了初步清洁和轻微蚀刻，从而改善了表面清洁度和粗糙度；而1.0 M NaOH处理后通过进一步去除杂质提高了粗糙度。在1.5 M NaOH处理下，纤维获得了最有利的表面改性，表现出最高的表面清洁度和粗糙度，其特征是表面纹理良好，暴露出可见的纤维素纤维，并且残留杂质最少。然而，将浓度进一步增加到2.0 M NaOH会导致纤维明显降解，包括表面凹陷、变薄和潜在的结构损伤。总体而言，这些发现证实了最佳NaOH处理显著缓解了UKF的固有局限性，尤其是在表面形态和与水泥基体的粘接兼容性方面。正如文献和实验数据所支持的，通过SEM成像揭示的UKF表面覆盖天然蜡和非纤维素化合物（半纤维素、木质素和果胶）后形成的光滑表面，进一步限制了与水泥基体的粘附，从而影响了应力在复合材料界面处的传递效率[52]。此外，这些杂质还阻碍了与水泥颗粒的有效粘接，并延缓了水泥的水化过程，导致复合材料的抗拉强度减弱[66]。

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图8. 扫描电子显微镜（SEM）结果（放大3000倍）：(a) 未经处理的肯纳夫纤维；(b) 0.5摩尔浓度处理12小时的肯纳夫纤维；(c) 1.0摩尔浓度处理12小时的肯纳夫纤维；(d) 1.5摩尔浓度处理12小时的肯纳夫纤维；(e) 2.0摩尔浓度处理12小时的肯纳夫纤维。

3.1.4. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）与能量色散X射线光谱（EDX）分析
FTIR光谱（图9a）显示了木质纤维素成分的特征峰，包括接近3325 cm?1的O–H伸缩（纤维素和半纤维素中的羟基）、约2897 cm?1的C–H伸缩（纤维素和半纤维素中的烷基链）、约1732 cm?1的C=O伸缩（半纤维素中的乙酰基）、约1641 cm?1的C=C振动（木质素中的芳香结构）以及接近1240 cm?1的C–O伸缩（木质素中的乙酰基）[67][68]。随着碱浓度的增加，C=O和C=C峰的逐渐减弱表明半纤维素和木质素被有效去除[69]。同样，FTIR光谱中O–H带的相对增强反映了纤维素中羟基反应基团的增加暴露，这有利于与偶联剂反应，从而改善纤维-基体的粘接[70]。在更高的处理浓度（≥1.75 M）下，所有主要峰的同时减少表明纤维素部分降解和结构完整性的丧失，表明碱介质的过度暴露。

EDX结果进一步通过量化处理浓度和持续时间对元素组成的变化来支持FTIR的发现。随着NaOH浓度的增加（图9b），碳的原子百分比从约79%降低到约49%，而氧含量从约21%上升到约51%，导致C:O比例急剧下降（从3.7降到0.9），这与先前的研究结果一致，这些研究将“碳减少氧增加”的现象归因于半纤维素和木质素成分的成功去除[71][72]。负斜率的逆线性趋势反映了非极性富碳层的逐步去除，增加了氧的暴露（表明更多纤维素被暴露），从而在纤维表面产生了更多的反应位点[73]。同样，在恒定浓度（1.5 M）下，随着处理时间的延长（图9c），碳含量稳步下降，氧的比例上升，尽管上升速度较慢（斜率不那么陡峭），表明氧化过程较为温和。

3.1.5. UKF的固有局限性
纤维-基体应力传递的效率归因于界面粘接，包括化学键合、机械互锁和表面能[74][75]。如果界面粘接较弱或容易脱离，KF承受和分配载荷的能力将大大受限，从而影响纤维增强的效果[76]。先前的研究指出，KF中的无定形成分如半纤维素、木质素、果胶和半结晶纤维素富含极性羟基（–OH）[77][78]。在LFC整合过程中，这些羟基对其他极性分子（特别是水（H2O）表现出强烈的亲和力，促进了与LFC水泥水化过程中存在的自由水的分子间氢键的形成[79]。因此，KF表面吸收的水层起到了屏障作用，严重阻碍了与水化LFC水泥浆体的直接和有效粘接[75]。在这种情况下，形成了厚度通常在10–20 μm之间的弱界面过渡区（ITZ）（图10a），这是由于KF的极性亲水性和LFC水泥基体的憎水性不兼容所致[3][80]。结果，较差的纤维-基体粘接阻碍了纤维桥接效应的效率，纤维更可能发生拔出效应而不是在桥接效应下断裂[81]。图6显示了KF的亲水性导致与憎水性水泥基体在ITZ处的化学不相容性。

除了化学不相容性之外，KF的亲水性还表现出吸收水分的明显倾向，导致纤维膨胀并在纤维-基体界面产生局部机械应力，从而形成微裂纹[4]。微裂纹的形成，加上水分通过水泥基体微孔的扩散，使得自由水进入纤维结构的纤维间区域[82]。一旦进入内部，这些水分会溶解纤维内的水溶性物质，促进浸出并形成浓度梯度。浓度梯度通过渗透扩散驱动进一步的水分进入，最终在纤维区域内产生渗透压[83]。膨胀引起的机械应力与渗透压的协同效应破坏了纤维-基体界面的完整性，降低了纤维和水泥基体之间的应力传递效率[84]。此外，在高碱度环境中的长时间暴露下，KF容易发生水解降解和矿化，逐渐损害纤维的结构完整性和强度性能[85]。图11显示了KF的强吸水性对纤维-基体界面粘接的不利影响。

3.2. 包含最佳纤维的复合材料的性能
通过一系列纤维性能评估确定了最佳TKF后，将这些纤维纳入LFC中以评估它们对复合材料整体性能的影响。本节展示了四种LFC配方（LFC-Control、LFC-UKF、LFC-TKF-OPT-Low和LFC-TKF-OPT-High）的比较性能结果和观察。首先研究了新鲜状态下的特性，包括密度、含气量、流动性和一致性，以评估纤维添加对混合物工作性和均匀性的影响。随后，在7天、28天和56天时评估了机械性能，即抗压强度、劈裂抗拉强度和弯曲强度。进一步引入了一个性能指数（每1000 kg/m3的MPa），为不同密度水平下的强度比较提供了标准化基础。总体而言，本节建立了评估最佳处理的肯纳夫纤维在新鲜状态和硬化状态下对LFC系统性能提升程度的框架。

3.2.1. 密度、工作性、一致性和稳定性
表5显示了各种LFC混合物的新鲜状态性能结果。观察到所有混合物都达到了目标新鲜密度1200 ± 50 kg/m3，证实了这个密度范围内的混合物配比的可靠性。添加UKF导致LFC的含气量略有减少（37% → 36%），在LFC-TKF-OPT-High中减少得更明显（34%）。这可以归因于碱处理导致的纤维直径减小，从而增加了体积与质量的比率，减少了可供空气包裹的孔隙空间[69]。纤维的添加显著影响了LFC的工作性和流动性，其中TKF的影响比UKF更大。LFC-Control的流动直径为655 mm（流动性好），而在LFC-UKF中急剧下降到438 mm（流动性降低86%）。LFC-TKF-OPT-Low的流动直径进一步减少到381 mm（流动性降低82%），最终在LFC-TKF-OPT-High中降低到374 mm（流动性降低78%）。这些趋势与[86]的研究结果一致，他们将工作性的降低归因于KF的高比表面积、润滑效果降低、内摩擦增加以及纤维聚集的可能性。同样，通过LFC-UKF处理后，一致性和稳定性均略有下降（分别为1.0114；0.996），而在LFC-TKF-OPT-High处理后进一步降低（分别为1.0146；0.984）。这些结果与[87]的观察结果一致，他们指出纤维的加入会破坏LFC中的泡沫结构。然而，这些下降仍在可接受的1.0 ± 5%的范围内。表5总结了新鲜状态下的材料性能。

表5. 新鲜状态下材料性能的总结。
| 混合代码 | 平均新鲜密度（kg/m3） | 引入空气的百分比（%） | 倒塌扩散直径（mm） | 流动性（%） | 一致性 | 稳定性 |
| ---- | -------------- | -------------- | -------------- | ------------ | -------- | ---------- |
| LFC-Control | 120 | 6.33 | 37.2 | 55 | 181 | 1.005 | 30.992 |
| LFC-UKF | 121 | 36.67 | 43.8 | 86 | 1.0114 | 0.996 |
| LFC-TKF-OPT-Low | 121 | 45.3 | 58.3 | 82 | 1.012 | 10.990 |
| LFC-TKF-OPT-High | 121 | 47.4 | 34.4 | 74.6 | 1.0146 | 0.984 |

注：以最大流动表扩散距离（255 mm）和最大滴落次数（25次）为100%的流动性进行计算。

3.2.2. 抗压强度
图12展示了TKFLFC的抗压强度结果。在两个不同时间点都观察到了一个一致的趋势：随着UKF的加入，抗压强度有所增加，而TKF的加入则使抗压强度进一步提升。LFC-UKF在7天、28天和56天时的抗压强度分别为3.64 MPa、4.78 MPa和5.09 MPa，分别比LFC-Control提高了2%、6%和6%。这些发现与先前的研究结果一致，即UKF的加入对复合材料的抗压强度提升作用有限[11]。LFC-UKF与LFC-Control相比的性能指数也体现了这一点（7天时为2.99 vs 2.93，28天时为3.92 vs 3.73，56天时为4.18 vs 3.96），进一步证实了UKF对复合材料抗压强度提升的贡献有限。观察到的中等抗压强度表现可以归因于KF本身的亲水性和表面杂质的存在，包括木质素、半纤维素、果胶和蜡类物质。这些成分会破坏纤维-基体的界面 bonding，并阻碍水泥基体中的有效应力传递，从而影响整体机械性能[88]。

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图12. 含有普通（LFC-Control）、未经处理的肯纳纤维（LFC-UKF）和最佳处理的肯纳纤维（LFC-TKF-OPT Low & High）的轻质泡沫复合材料的抗压强度分析。

相比之下，LFC-TKF-OPT-Low在7天、28天和56天时的抗压强度分别为4.28 MPa、5.38 MPa和5.64 MPa，比LFC-UKF分别提高了18%、13%和11%。LFC-TKF-OPT-High的抗压强度更高（7天时为4.52 MPa，28天时为5.49 MPa，56天时为5.75 MPa），尽管与低浓度处理相比增幅仅为约2%，但这表明两种处理方式都相对最优。如前所述，这些结果突显了碱性处理在改变KF结构中纤维间组分组成方面的有效性。这消除了KF增强效果的局限性，包括纤维-基体的化学不相容性和高吸水性，从而增强了TKFLFC纤维-基体界面的整体粘合力。

3.2.3. 断裂抗拉强度
图13展示了TKFLFC的断裂抗拉强度总结。LFC-Control在7天、28天和56天时的断裂抗拉强度分别为0.44 MPa、0.56 MPa和0.58 MPa，而LFC-UKF在相同时间点的抗拉强度分别提高了17%、14%和14%。LFC-TKF-OPT-Low在7天时进一步提高了23%（17% + 6%），28天时提高了33%（14% + 19%），56天时提高了37%（14% + 23%），而LFC-TKF-OPT-High在7天时提高了39%（17% + 6% + 6%），28天时提高了38%（14% + 19% + 5%），56天时提高了40%（14% + 23% + 3%），显著优于LFC-Control。在不同时间点，高浓度与低浓度处理之间的强度差异约为5%，表明两种配方均同样有效。TKF-OPT带来的显著抗拉强度提升主要归因于纤维的桥接作用机制。纤维桥接效应指的是纤维在纤维与水泥基体之间的薄弱界面区域扮演“桥梁”的作用，通过承受应力来阻止裂缝的产生和扩展，从而增强水泥基体的抗分层性能[89]。

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图13. 含有普通（LFC-Control）、未经处理的肯纳纤维（LFC-UKF）和最佳处理的肯纳纤维（LFC-TKF-OPT Low & High）的轻质泡沫复合材料的断裂抗拉强度分析。

图中的性能指数曲线显示，在早期7天时强度稳步提升（0.36 MPa → 0.46 MPa），而在56天时强度提升更为明显（0.48 MPa → 0.66 MPa）。这表明，在完全水化后，TKFLFC的强度提升主要得益于纤维的桥接作用。NaOH处理通过去除表面杂质并暴露更多结晶 cellulose，增加了表面粗糙度并促进了机械互锁[92]，从而增强了纤维在界面区域的桥接效果，提高了应力传递效率，增强了抗拉应变能力和断裂能量吸收能力，需要更大的力才能使LFC样品断裂[93]。

3.2.4. 弯曲强度
图14展示了TKFLFC的弯曲强度结果。7天时，LFC-Control的基线强度为1.84 MPa。LFC-UKF将其提高了15%（达到2.12 MPa），而LFC-TKF-OPT-Low又进一步提高了11%（达到2.35 MPa）。28天时，LFC-Control的强度为2.63 MPa，LFC-UKF和LFC-TKF-OPT-Low的强度分别提高了7%和4%。同样，在56天时，LFC-UKF和LFC-TKF-OPT-Low的强度分别保持了9%和6%的提高。研究表明，使用UKF和TKF处理后，纤维的增强作用显著提升了弯曲强度。最佳碱性处理改善了纤维的拉伸强度和一致性，提高了基体的相容性，并通过增强的纤维桥接效应促进了更有效的应力传递。这一结果与[95]的研究结果一致，表明KF的增强作用显著提高了复合材料的承载能力和延展性，使LFC水泥基体的脆性向延性（弹塑性）行为转变[96]。

尽管如此，LFC-TKF-OPT-High在所有处理组中表现出最高的弯曲强度，分别在7天、28天和56天时达到了2.38 MPa、3.16 MPa和3.29 MPa，比低浓度处理组高出2%、8%和4%。这可以与之前的纤维拉伸和拔出测试结果联系起来，这些测试显示，经过1.5 M NaOH处理12小时的KF具有最高的纤维拉伸强度和拔出界面强度，以及改善的纤维表面改性效果。这些改善的纤维基本特性增强了纤维-基体的粘合力，使得界面区域更加坚固，从而提高了材料在弯曲载荷下的抗力、剪切力和弯矩抵抗能力[97][98]。

4. 结论
通过优化碱性处理的KF，成功建立了将NaOH处理参数与纤维性能、纤维-基体界面以及水泥基体机械性能增强联系起来的 robust 框架。通过纤维拉伸、拔出和微观结构分析的系统评估发现，NaOH浓度和处理时间的平衡控制了表面纯化程度、纤维素的暴露量和结构完整性。最佳组合——0.75 M NaOH处理20小时（LFC-OPT-Low）和1.5 M NaOH处理12小时（LFC-OPT-High）——分别产生了最高的拉伸强度，分别为582.87 MPa和600.88 MPa，比UKF提高了89%。拔出界面强度提高了约36%，这归因于半纤维素和木质素的去除，暴露了更多的纤维素，以及促进了与水泥基体的机械互锁。FTIR和EDX分析也验证了这些发现，表明非晶成分逐渐被消除，C:O比值降低，表明纤维素含量增加。总体而言，这些结果表明优化的碱性处理有效减轻了KF的亲水性、纤维和水泥基体的异质性以及弱界面粘合力，从而提高了纤维的机械稳定性和与水泥基体的相容性。当这些优化后的纤维被加入LFC中时，显著改善了材料的新鲜状态和硬化后的性能。所有LFC混合物都达到了目标密度范围，证实了混合设计的一致性；同时，由于表面相互作用的增加，纤维的加入适度降低了流动性 and 稳定性。机械性能得到了显著提升，特别是在抗拉和弯曲性能方面。与UKF混合物相比，LFC-TKF-OPT-Low和LFC-TKF-OPT-High在标准28天龄期的抗压强度分别提高了13%和15%，断裂抗拉强度和弯曲强度分别提高了24%和12%，证明了纤维桥接和裂缝阻止机制的有效性。引入的标准化性能指数进一步突显了LFC-TKF-OPT在所有固化时间点的持续优越性。这些结果证实，碱性优化成功地提升了纤维的增强效率，将微观层面的优化效应转化为复合材料的宏观性能优势。

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Hao Yee Richmond Chong：负责撰写、审稿与编辑、原始草稿编写、可视化处理、验证、软件应用、资源管理、项目规划、方法设计、数据分析、概念化。
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