《Next Materials》：Hybrid composites reinforced with krajood fiber waste for advanced acoustic and mechanical applications in sustainable construction
编辑推荐：
本研究报道了采用废弃krajood纤维与异氰酸酯（isocyanate）胶黏剂开发用于可持续建筑应用的混杂复合材料。研究考察了纤维尺寸（短纤维、长纤维及混合纤维）以及纤维/胶黏剂配比（90/10、85/15和80/20 wt%）对材料力学性能、物理性能、热学性
本研究报道了采用废弃krajood纤维与异氰酸酯（isocyanate）胶黏剂开发用于可持续建筑应用的混杂复合材料。研究考察了纤维尺寸（短纤维、长纤维及混合纤维）以及纤维/胶黏剂配比（90/10、85/15和80/20 wt%）对材料力学性能、物理性能、热学性能、表面形貌、耐水性、声学性能和阻燃性能的影响。混合纤维尺寸的使用提高了纤维堆积效率，从而获得更好的尺寸稳定性和更平滑的表面轮廓。尤其是M80I20复合材料在保持足够强度的同时，表现出最低的吸水率和厚度膨胀率。所有复合材料的极限氧指数（LOI）均高于27%，表明其均可归类为阻燃材料，其中S90I10样品达到最高LOI值51.02%。声学测试表明，M90I10复合材料具有最高降噪系数（NRC = 0.76），在2000 Hz时可吸收入射声的76%。这些结果表明，基于krajood纤维的混杂复合材料适用于作为环境友好型建筑材料，尤其适合用于要求耐湿、吸声和阻燃性能的墙体与天花板面板。将农业残余物与黏结剂结合，有助于推动可持续建筑及循环经济（circular economy）原则的实现。
该论文发表于《Next Materials》，围绕废弃krajood纤维高值化利用与绿色建筑材料开发展开，研究目标明确指向天然木质纤维素资源在复合材料中的结构强化、吸声调控与阻燃提升。研究背景在于，天然纤维复合材料兼具低密度、可再生、可回收和成本较低等优势，但农业废弃物在实际处置中仍常以填埋或露天焚烧为主，造成环境压力。与此同时，建筑内装材料特别是墙板、吊顶等部件，除了要求一定的力学强度外，还需兼具耐湿稳定性、表面完整性、吸声性能与防火安全性。现有关于krajood纤维在复合板材中的研究仍较少，尤其缺乏对纤维尺寸、纤维含量与胶黏剂比例协同作用的系统评价，因此有必要开展该项研究，以明确此类农业废弃纤维在可持续建筑中的适用边界与性能优势。
研究人员以泰国手工艺产业副产的krajood废弃纤维为增强体，采用异氰酸酯（isocyanate）胶黏剂为基体，通过热压压缩模塑制备复合板材，系统比较短纤维、长纤维与混合纤维三类尺寸结构，以及80/20、85/15、90/10 wt%三种纤维/胶黏剂比对复合材料力学、物理、尺寸稳定性、阻燃性和声学性能的影响。研究结果表明，混合纤维尺寸能够改善纤维堆积状态与界面接触，提高表面平整度并减少孔隙，从而在综合性能上表现最优；其中M85I15在抗压、抗弯、螺钉握持和硬度方面获得较优平衡，M80I20在吸水率与厚度膨胀率方面最优，M90I10则展现出最优吸声能力。所有样品LOI均大于27%，说明均具备阻燃特征，而S90I10具有最高阻燃水平。整体上，该研究证明krajood纤维废弃物可作为绿色增强相构建兼具结构与功能属性的建筑复合材料，对推动农业残余物资源化、降低传统材料环境负荷以及促进循环经济具有现实意义。
研究人员采用的关键技术方法主要包括：首先，收集来源于泰国Nakhon Si Thammarat地区手工艺生产副产物的krajood废弃纤维，并加工为约10 mm短纤维、20 mm长纤维及其混合体系；其次，以异氰酸酯胶黏剂为黏结相，通过190 °C、2500 psi、20 min热压压缩模塑制备复合板；再次，依据ASTM与ISO标准开展抗压、三点弯曲、直接螺钉拔出、Shore D硬度、表面粗糙度、吸水率、厚度膨胀率、光学显微观察、极限氧指数（LOI）及阻抗管吸声测试；最后，采用单因素方差分析（ANOVA）评价不同配方间差异显著性。
3.1. Compressive strength of the samples
该部分研究了纤维尺寸与纤维含量对抗压强度（CS）和压缩模量（CM）的影响。结果显示，两因素对CS与CM均具有统计学显著影响。混合纤维组在抗压强度方面表现最优，其中M85I15达到16.74 MPa，M90I10次之，为16.64 MPa，说明混合尺寸纤维能够通过优化堆积与增强界面黏结改善载荷传递。光学观察与表面图像亦支持该结论，混合纤维样品具有更少孔隙和更平滑表面。压缩模量方面，L80I20达到最高值1.05 GPa，表明较长纤维在压缩轴向上更有利于结构连续性与刚度保持。但当纤维含量进一步升高时，模量下降，提示过高纤维装载会导致基体包覆不足与结构非均匀性。综合来看，M85I15在强度与结构稳定性之间实现了最佳平衡。
3.2. Flexural properties of the samples
该部分评估了抗弯强度指标断裂模量（MOR）和弯曲弹性模量（MOE）。结果表明，MOR受纤维尺寸与含量变化显著影响，M85I15获得最高MOR值20.66 MPa，明显优于对应短纤维和长纤维组，说明混合纤维结构强化了弯曲载荷下的纤维-基体协同传力。MOE则在较高胶黏剂比例下表现更优，其中M80I20达到1.28 GPa，M85I15为1.26 GPa。结果说明增加胶黏剂比例有助于提高基体连续性、减少微孔并增强整体刚度。该部分进一步证实混合纤维尺寸相较单一纤维尺寸具有更优综合弯曲性能。
3.3. Direct screw withdrawal strength of the samples
该部分采用直接螺钉拔出（DSW）测试评估复合材料在建筑连接应用中的紧固保持能力。各配方DSW值介于24.56–34.14 MPa之间，其中混合纤维组始终高于短纤维组和长纤维组。M85I15达到最高34.14 MPa，M80I20与M90I10分别为32.85 MPa和30.25 MPa。该结果与抗压和抗弯趋势一致，说明优化纤维尺寸分布和适中的纤维/胶黏剂比例能够共同提升材料整体完整性和紧固件保持性能。即便短纤维组表现较低，其数值仍处于适用于一般室内板材和建筑饰面应用的范围。
3.4. Hardness of the samples
该部分分析了Shore D硬度。结果表明，较高的krajood纤维含量通常有助于提高复合材料表面抗压入能力，这是由于刚性纤维与异氰酸酯基体间界面相互作用增强，使结构更致密、更坚硬。在所有样品中，M85I15获得最高硬度61.20 Shore D，M80I20和L85I15分别次之。值得注意的是，当纤维含量升至90 wt%时，所有纤维尺寸组硬度均出现下降，尤其M90I10降至48.12 Shore D。研究人员据此指出，过量纤维会造成树脂不足、润湿受限与界面空隙增多，从而削弱材料整体表面抗变形能力。由此可见，85 wt%纤维含量是该体系较适宜的强化水平。
3.5. Surface roughness the samples
该部分通过平均粗糙度Ra和峰谷高度Rz表征复合材料表面形貌。统计分析显示，纤维尺寸与配比对表面粗糙度具有显著影响。与既往木塑复合材料结果相比，本研究样品Ra与Rz整体更低，说明所制备krajood纤维复合材料具有较好的表面完整性。混合纤维组始终表现出最低Ra与Rz值，其中表面最平整，归因于短纤维与长纤维协同填充降低了纤维间空隙并抑制表面孔洞形成。该结果说明纤维架构设计与黏结相比例对天然纤维复合材料的表观质量和尺寸精度具有关键调控作用。
3.6. Water absorption and thickness swelling of the samples
该部分围绕尺寸稳定性展开，以吸水率（WA）和厚度膨胀率（TS）评价复合材料耐湿性能。结果显示，各样品在浸水初期WA和TS快速增加，随后趋于平缓。总体规律是，较高纤维含量会加剧吸水与膨胀，而较高胶黏剂比例则有助于抑制水分渗入。M80I20表现最佳，其WA分别为25.01%（2 h）和33.66%（24 h），TS分别为7.89%（2 h）和9.21%（24 h）。研究人员认为，这是由于混合短长纤维带来的协同堆积效应降低了孔隙率，同时20 wt%异氰酸酯胶黏剂提高了结构致密性与界面黏结，从而限制了水分扩散。相反，90 wt%纤维组由于基体覆盖不足和孔隙增加，耐水稳定性下降。该部分明确了M80I20在潮湿环境应用中的优势。
3.7. Flame retardance of the samples
该部分采用极限氧指数（LOI）评价材料阻燃性能。所有样品LOI均在35.77%–51.02%之间，全部高于27%，因此均可归类为阻燃材料。短纤维组阻燃性最佳，其中S90I10达到最高LOI值51.02%，S85I15和S80I20分别为48.20%和43.12%。长纤维组也随纤维含量增加而表现出LOI升高趋势。相比之下，混合纤维组LOI略低，但仍维持在可接受阻燃范围内。研究指出，较高纤维含量以及较低胶黏剂比例可能促进炭层形成，减少挥发性可燃组分释放，从而提高维持燃烧所需氧浓度。该部分说明，在兼顾力学和尺寸稳定性的同时，krajood纤维复合材料还具备良好的防火安全基础。
3.8. Sound absorbing of the samples
该部分考察了250–2000 Hz范围内的吸声系数与降噪系数（NRC）。结果表明，吸声性能随频率升高而增强，且纤维含量和纤维尺寸均显著影响声学表现。90 wt%纤维组整体优于其余组别，其中M90I10在2000 Hz时达到最高吸声系数18.54，并取得最高NRC值0.76，意味着其可吸收入射声能的76%。在相同纤维含量下，混合纤维组优于长纤维组和短纤维组。研究人员将这一结果归因于更高纤维含量与更有利的孔隙结构共同增强了声波在材料内部的耗散。该结果表明，M90I10特别适用于具有吸声需求的墙面与天花板系统。
讨论总结
全文讨论呈现出较为清晰的结构-性能关联：混合尺寸纤维通过改善堆积密实性、减少界面空隙和提升表面均匀性，使材料在抗压、抗弯、螺钉保持、表面粗糙度和耐湿稳定性方面获得综合优势；较高胶黏剂比例有利于提高刚度和尺寸稳定性，但不一定带来最优阻燃与吸声效果；较高纤维含量则有利于阻燃和吸声，却可能因树脂不足引发界面缺陷并降低部分力学与耐水性能。因此，不同性能目标对应不同最优配方：M85I15适合强调综合力学性能的应用，M80I20适合重视耐湿稳定性的应用，M90I10适合强调声学调控的应用，而S90I10在阻燃性方面最突出。研究整体说明，krajood废弃纤维不仅可作为低环境负荷增强相，而且能够通过纤维尺寸组合与配比优化实现多性能定向设计。
研究结论部分翻译
本研究成功开发了以krajood纤维和异氰酸酯胶黏剂为基体的混杂复合板材，并考察了纤维尺寸及纤维/胶黏剂配比对其物理、力学、尺寸稳定性、热学、声学和阻燃性能的影响。
混合纤维尺寸复合材料在表面平滑性、界面空隙减少、尺寸稳定性提升以及力学强度平衡方面表现更优。M80I20配方显示出最优尺寸稳定性，其WA最低值为25.01%（2 h）和33.66%（24 h），TS值分别为7.29%（2 h）和9.21%（24 h）。这些结果归因于协同纤维堆积效应和更强的界面黏附。
所有复合材料的LOI值均高于27%，证实其均属于阻燃材料。S90I10样品表现出最高LOI值（51.02%），而混合纤维组虽然阻燃性略低，但仍处于建筑应用可接受范围内。
在声学性能方面，M90I10样品获得最高吸声系数（2000 Hz时为18.54）和最高NRC值（0.76），显示出优异的声衰减能力，这可能与其更高孔隙率和更高纤维含量有关。
总体而言，krajood纤维废弃物与异氰酸酯基体构建的混杂复合材料是一类兼具可持续性与高性能潜力的建筑材料，尤其适用于潮湿环境中的吸声隔声、墙板和天花板应用。
