NaOH处理扇贝叶棕纤维(Palmyra fibre, Borassus flabellifer L.)增强Kondagogu树胶(Kondagogu gum, Cochlospermum gossypium)基可持续生物复合材料的开发与热-机械性能表征

《Next Materials》：Development and thermo-mechanical characterisation of NaOH-treated Palmyra fibre reinforced Kondagogu gum based sustainable biocomposites

　　

摘要：随着向可持续及可生物降解材料转变的趋势日益增强，天然纤维增强材料作为石油基合成聚合物复合材料的环保替代品受到广泛关注。本研究旨在开发并以棕榈叶纤维（Palmyra fibre, PF，源自Borassus flabellifer L.）为增强体、以Kondagogu树胶（Kondagogu gum, KGG，Cochlospermum gossypium提取物）为天然生物基质制备环境友好型生物复合材料，用于潜在轻量化及可持续工程应用。研究人员采用手糊法（hand lay-up technique）制备纤维质量分数分别为5 wt%、10 wt%及15 wt%的未处理及NaOH碱处理PF/KGG生物复合材料，并对复合材料进行系统的力学（拉伸、弯曲、冲击）、热学（热重分析Thermogravimetric Analysis, TGA）、物理及形貌（扫描电子显微镜Scanning Electron Microscopy, SEM）表征，辅以傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）分析纤维表面化学组成变化。研究结果表明，碱处理显著增强了纤维–基体界面粘结力及复合材料综合性能。在最优纤维含量15 wt%下，碱处理复合材料相较于未处理组拉伸强度提高27%，弯曲强度提高61.51%，冲击韧性提高31.6%。FTIR分析证实碱处理部分去除了半纤维素及表面杂质，TGA结果显示复合材料热稳定性提升。SEM观察进一步确认碱处理复合材料具有更强的界面结合、更优的纤维分散性及增大的纤维表面粗糙度。增强后的力学及热学性能凸显了碱处理在开发高性能绿色复合材料中的重要性。上述发现表明PF/KGG生物复合材料在可生物降解包装及轻量化可持续工程领域具较强应用潜力，可作为传统合成复合材料的环境友好替代方案。

论文解读：扇贝叶棕纤维（Palmyra fibre, PF，Borassus flabellifer L.）/孔达戈古树胶（Kondagogu gum, KGG，Cochlospermum gossypium 渗出多糖）生物复合材料的研究背景在于，传统石油基聚合物复合材料虽力学性能优异但不可降解、环境负担大；现有天然纤维/生物基质复合材料体系中，PF纤维资源丰富却研究不足，KGG作为一种含羟基(–OH)、羧基(–COOH)及乙酰基的多糖生物聚合物尚未与PF协同增强的相关报道。开展此项研究可填补PF与KGG协同复合及碱处理改性影响机制的研究空白，明确纤维表面改性与纤维用量对全生物基复合材料力学、热学及界面行为的影响规律，对推动农业废弃物纤维与本土植物树胶的高值化利用、开发可降解轻质工程材料及绿色包装具有重要意义。本文发表于《Next Materials》。

关键技术方法概述：研究人员采集印度特伦甘纳邦Yerragattu Gutta地区Borassus flabellifer树枝提取PF，市购KGG粉末；PF经去离子水清洗后一部分浸入2 wt% NaOH溶液室温处理24 h去除半纤维素、木质素及蜡质，冲洗至中性pH后干燥备用。KGG生物树脂由KGG粉末溶于水，加入25 wt%（相对KGG质量）甘油（增塑剂）与25 wt%戊二醛（glutaraldehyde，交联剂）搅拌分散，用NaOH/HCl调pH至7制得。采用手糊法（hand lay-up）按树脂:纤维质量比100:0、95:5、90:10、85:15分别制备未处理PF/KGG与碱处理PF/KGG层压板，室温固化24 h并按ASTM标准加工试样。表征手段包括：万能试验机测拉伸（ASTM D638）与弯曲（ASTM D790），摆锤冲击试验机测缺口冲击强度（ASTM D256）；FTIR（KBr压片法，4000–400 cm?1）分析官能团；TGA-DTA（N?氛围，升温速率10 °C/min，35–600 °C）评估热分解行为与残炭率；SEM（喷金处理后，加速电压10 kV）观察断面形貌与界面粘结状况。

研究结果：

3.1 拉伸强度（Tensile strength）：随PF含量增加，未处理与碱处理复合材料拉伸强度均上升；未处理组由5 wt%时的1.85 MPa增至15 wt%时的3.15 MPa，碱处理组由2.18 MPa增至4.03 MPa。15 wt%碱处理组较同含量未处理组拉伸强度提升27%，归因于碱处理去除无定形组分使纤维表面粗糙化、暴露更多反应性官能团，增强纤维–基体界面机械互锁与应力传递效率。

3.2 拉伸模量（Tensile modulus）：拉伸模量随纤维含量递增，未处理组由5 wt%的40.91 MPa升至15 wt%的65.53 MPa，碱处理组由49.52 MPa升至78.89 MPa（原文表中15 wt%处理组拉伸模量为97.51 MPa）。碱处理15 wt%复合材料较纯KGG基体（27.64 MPa）模量提升约185.52%，表明碱处理改善纤维分散与界面粘结，提高复合材料刚度。

3.3 弯曲性能（Flexural properties）：纯KGG弯曲强度1.04 MPa、弯曲模量69.26 MPa。未处理PF/KGG在15 wt%时弯曲强度2.39 MPa、模量152.75 MPa；碱处理组15 wt%时分别达3.86 MPa与223.66 MPa，较未处理组弯曲强度提升61.51%、模量提升46.44%。碱处理去除了阻碍界面结合的杂质，使载荷沿纤维网络更均匀分配，增强抗弯承载与能量耗散能力。

3.4 冲击强度（Impact Strength）：纯KGG冲击强度356.12 J/m2。15 wt%未处理PF/KGG为708.10 J/m2，15 wt%碱处理组达932.14 J/m2，较未处理组提升31.6%。碱处理强化界面使冲击能量可通过纤维更有效地耗散，抑制微孔洞引发的早期开裂；过量纤维（>15 wt%）会因团聚与润湿不足导致性能下降。

3.5 傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）：未处理与碱处理复合材料均在~3428 cm?1出现–OH伸缩振动峰，2917–2850 cm?1出现C–H伸缩振动峰。碱处理样品1742 cm?1处归属于半纤维素中C=O伸缩振动的酯/羧酸特征峰强度明显减弱，证实碱处理部分去除了纤维表面半纤维素与无定形成分，利于界面化学相容性提升。

3.6 热重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）：纯KGG初始降解温度231.8 °C，600 °C残炭率9.27%；15 wt%未处理PF/KGG初始降解温度263.1 °C、残炭率16.36%，15 wt%碱处理组（T–15%）初始降解温度升至281.7 °C、残炭率20.95%，主分解峰温延后。碱处理强化了纤维–基体界面，延缓热分解，提高热稳定性与高温下结构完整性。

3.7 形貌分析（Morphological evaluation, FE?SEM）：未处理PF/KGG复合材料断口可见明显纤维拔出空腔、界面缝隙及纤维团聚，表明界面粘结弱；碱处理组断口纤维表面被基体紧密包覆，拔出现象减少，15 wt%高纤维含量碱处理样品以纤维断裂为主要失效模式而非拔出，证实碱处理显著提升界面粘结强度与载荷传递效率。

讨论与结论总结（翻译结论部分）：本研究成功开发了以Kondagogu树胶(KGG)为基体、扇贝叶棕纤维(PF)为增强体的环保型生物复合材料，重点阐明碱处理对提升复合材料性能的作用。碱处理PF/KGG复合材料相较未处理组表现出显著改善的力学、热学及微观形貌特征。力学性能方面：在15 wt%纤维含量下，碱处理使PF/KGG复合材料拉伸强度提高27%、弯曲强度提高61.5%、冲击强度提高31.6%，改善源于纤维–基体界面粘结增强及半纤维素/木质素的脱除。热稳定性方面：TGA结果显示处理组具更高残炭率及更低最大失重速率，其中T–15%样品残炭率达20.95%（未处理组为16.36%），表明热阻提升。化学与形貌证据方面：FTIR定量显示碱处理去除约54%半纤维素；SEM确认处理组纤维拔出与孔隙减少，纤维断裂成为主导失效模式。实用可行性方面：PF/KGG体系采用本地可再生资源及常温加工工艺，在包装、半结构件及轻量化可持续工程中具潜力，可作为石油基复合材料的生物降解替代品。未来工作将开展寿命周期评估(Life Cycle Assessment, LCA)、对比模压/真空辅助成型工艺、研究吸湿与湿热老化行为，并量化孔隙率与纤维分散度对性能影响。