瓜尔胶作为天然纤维-聚合物界面在混合复合材料中的绿色相容剂

《Bioresource Technology Reports》：Tragacanth gum as a green compatibilizer for natural fiber-polymer interfaces in hybrid composites

天然纤维复合材料性能优化研究：以 Astragalus 植物来源的 tragacanth gum (TG) 为环保相容剂，结合玻璃纤维与 Kapok、Cotton、Luffa 等天然纤维制备复合材料，通过灰色关联 Taguchi 分析优化工艺，证实 TG 纳米复合材料的力学性能（冲击强度 28 kJ/m2，拉伸强度 89.1 MPa）显著提升，SEM 验证纤维-基体界面结合增强。

　　这项研究探讨了利用天然纤维和合成纤维的混合结构，结合 tragacanth 粘合剂和纳米粘土，开发高性能的生物纳米复合材料。研究团队由多位机械工程领域的研究人员组成，他们专注于提升复合材料的机械性能和环境可持续性。tragacanth 粘合剂是一种从 Astragalus 植物中提取的天然多糖，因其独特的化学性质和生物相容性，在复合材料领域展现出了作为绿色偶联剂的潜力。

在传统合成偶联剂的应用中，许多材料的性能受限于其对纤维与基体界面的适配能力。相比之下，tragacanth 粘合剂不仅能够改善纤维与基体之间的结合力，还能促进纳米填料的均匀分散。这一特性使其成为一种多功能的天然偶联剂，能够有效提升复合材料的整体性能。研究团队采用了一种基于 L9 正交设计的实验方法，通过 Grey Relational Taguchi 分析（GRTA）来优化复合材料的性能参数，从而实现更高效的材料设计。

实验过程中，研究团队选择了多种天然纤维，包括 kapok 纤维、棉纤维和 luffa 纤维，与玻璃纤维相结合，形成复合纤维结构。同时，他们使用了 tragacanth 粘合剂和 bentonite 纳米粘土对 vinyl ester 树脂进行改性，以增强复合材料的性能。通过 SEM 分析，研究人员发现，使用 tragacanth 粘合剂的生物纳米复合材料在纤维与基体之间的结合力得到了显著提升。这种增强作用不仅提高了复合材料的机械性能，还增强了其在环境条件下的稳定性。

kapok 纤维作为一种天然纤维，因其独特的结构和物理特性，在复合材料领域具有广泛的应用前景。kapok 纤维的中心部分含有空气腔，这使其具有优异的吸油能力和稳定性。此外，kapok 纤维还具有较高的强度和较低的密度，使其成为一种理想的增强材料。研究团队发现，未处理的 kapok/glass/kapok 纤维复合材料在使用 tragacanth 粘合剂和 3% 纳米粘土时，表现出最佳的机械性能。这些材料的冲击强度达到了 28 kJ/m2，而拉伸强度则达到了 89.1 MPa。

在与传统合成材料的比较中，tragacanth 粘合剂的优势尤为明显。它不仅能够提升复合材料的性能，还能减少对环境的负面影响。这种天然偶联剂的使用，使得复合材料在生物降解性和可持续性方面表现优异。研究团队还发现，tragacanth 粘合剂能够显著降低纤维与基体之间的界面张力，从而促进更有效的应力传递，进一步提升复合材料的性能。

在实验过程中，研究团队采用了多种方法来评估复合材料的性能。其中包括动态机械分析（DMA）、拉伸测试、冲击测试和 SEM 成像。这些方法帮助研究人员全面了解复合材料的物理和化学特性，以及其在不同环境条件下的表现。此外，研究团队还关注了复合材料的水吸收率和热稳定性，这些因素对材料的使用寿命和性能有着重要影响。

研究团队发现，随着纤维含量的增加，复合材料的水吸收率也随之提高。这一现象在未处理的 kapok 纤维复合材料中尤为明显。同时，随着纳米填料的加入，复合材料的机械性能得到了显著改善。这种改善不仅体现在拉伸强度的提升，还表现在冲击强度和弯曲强度的增强。研究团队通过 SEM 成像进一步验证了纳米填料在基体中的均匀分散情况，以及其对纤维与基体结合力的影响。

此外，研究团队还探讨了不同类型的树脂基体对复合材料性能的影响。例如，使用 vinyl ester 树脂和 tragacanth 粘合剂改性的复合材料，在拉伸强度和冲击强度方面表现优异。相比之下，使用环氧树脂或聚丙烯等传统树脂基体的复合材料，其性能受到一定限制。因此，tragacanth 粘合剂的引入，不仅提升了复合材料的性能，还为材料的可持续发展提供了新的方向。

在实验过程中，研究团队还关注了不同加工方法对复合材料性能的影响。例如，使用手动铺层和压缩成型的方法，能够有效控制复合材料的结构和性能。同时，研究团队还发现，γ-辐射处理能够进一步提升复合材料的性能，使其在机械强度和热稳定性方面表现更佳。这种处理方法不仅能够增强复合材料的性能，还能提高其在不同环境条件下的适应能力。

通过这项研究，研究团队希望为未来的复合材料设计提供新的思路和方法。他们强调，tragacanth 粘合剂作为一种天然偶联剂，不仅能够提升复合材料的性能，还能减少对环境的负面影响。这种材料的使用，使得复合材料在可持续性和高性能方面实现了平衡。此外，研究团队还希望通过进一步的研究，探索更多天然纤维和纳米填料的组合，以开发更广泛的应用领域。

研究团队的成果表明，tragacanth 粘合剂在复合材料中的应用具有重要的研究价值。它不仅能够改善纤维与基体之间的结合力，还能促进纳米填料的均匀分散，从而提升复合材料的整体性能。这些发现为未来的研究提供了重要的参考，同时也为材料科学领域的发展提供了新的方向。通过进一步的研究，希望能够找到更多天然纤维和纳米填料的组合，以开发更广泛的应用领域。

在实验过程中，研究团队还关注了不同类型的复合材料在不同环境条件下的表现。例如，通过加速老化测试，他们评估了复合材料在水浸泡、紫外线照射和湿热条件下的稳定性。这些测试结果表明，tragacanth 粘合剂的引入能够显著提升复合材料的耐久性。此外，研究团队还发现，不同类型的纤维和纳米填料的组合，能够带来不同的性能表现。这种多样性为未来的材料设计提供了更多的可能性。

总的来说，这项研究为复合材料领域提供了一种新的解决方案，即利用 tragacanth 粘合剂和纳米填料，提升复合材料的性能和可持续性。通过实验和分析，研究团队发现，这种天然偶联剂在改善纤维与基体结合力和促进纳米填料分散方面具有显著优势。这些发现不仅为材料科学领域提供了新的研究方向，也为环保和可持续发展提供了重要的支持。未来的研究可以进一步探索这种材料在不同应用领域的潜力，以实现更广泛的应用和更高的性能。