探索未充分利用的姜科纤维的潜力：以Meistera aculeata和Amomum andamanicum为研究对象

《Journal of Natural Fibers》：Exploring the Potential of Underutilized Zingiberaceae Fibers: A Study on Meistera aculeata and Amomum andamanicum

研究首次系统表征了姜科两种新物种Meistera aculeata（MAF）和Amomum andamanicum（AAF）纤维的理化特性及机械性能，发现MAF纤维素含量高（72.32%）、结晶度好（63.38%），拉伸强度达1418.42 MPa，优于AAF的970.00 MPa。通过FTIR、TGA、XRD、SEM和AFM等技术分析，揭示了MAF纤维表面光滑（Ra4.75 nm）、结构致密，而AAF纤维吸湿性高（12.40%）、表面粗糙（Ra6.87 nm）。研究提出将这两种纤维应用于高性能复合材料，并探索了其可持续废物利用潜力。

　　本研究首次对姜科（Zingiberaceae）两个新物种——小斑蝶（Meistera aculeata，简称MAF）和红砂仁（Amomum andamanicum，简称AAF）的纤维进行了全面的表征分析。通过使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析（TGA）、X射线衍射（XRD）以及拉伸测试等手段，评估了这些纤维在物理、化学、热学和机械性能方面的特性。研究发现，MAF在纤维素含量、结晶度、纤维排列和吸湿性方面优于AAF，这些特性共同促使其展现出更优异的机械性能。具体而言，MAF的拉伸应力值达到了1418.42 MPa，而AAF仅为970.00 MPa。同时，MAF表现出更高的拉伸模量和更低的拉伸应变，这些数据进一步支持其在高要求工程应用中的潜力。

在本研究中，原子力显微镜（AFM）提供了纤维表面粗糙度和形貌的详细信息，而扫描电子显微镜（SEM）则揭示了纤维的结构特征以及断裂行为。此外，能量色散X射线光谱（EDX）用于分析纤维的元素组成，三者共同为纤维的形态学和作为复合材料增强剂的适用性提供了全面的视角。研究结果不仅强调了这些纤维在高性能工程应用中的潜力，还提出了一个可持续的解决方案，用于管理这些植物的假茎生物质废弃物，将材料创新与环境保护相结合。通过揭示这些未被充分利用的纤维的结构优势，该研究为它们在先进生物复合材料开发中的应用奠定了基础。

随着全球对可持续发展的关注不断增加，天然纤维如棉花、黄麻和亚麻正逐渐成为替代人工材料的环保选择，特别是在建筑、汽车和包装等行业。这些纤维在环境方面具有显著优势，例如在整个生命周期中降低碳足迹、减少加工所需能量以及减少温室气体排放。随着环保意识的提升和政府对污染控制的推动，工业界和研究人员越来越倾向于在结构和汽车领域使用天然纤维，从而促进可持续实践并探索更绿色的制造解决方案。天然纤维的引入被认为将在实现可持续和环保制造系统中发挥重要作用。

近年来，植物纤维在工业应用中的研究不断深入，尤其在那些具有卓越物理、化学和热学特性的物种中。这些植物通常用于药用和药理用途，其假茎富含纤维素和木质素，是结构强度和耐久性的主要指标。这些假茎的形态学特征，如直立圆柱形结构和纵向排列的纤维，表明其具有内置的机械韧性与坚固性。尽管这些植物的潜力显而易见，但关于它们的解剖学、化学、热学和机械行为的详细研究仍存在知识空白。因此，本研究对MAF和AAF的假茎纤维进行了首次深入的分析，特别关注其主要生物化学成分——纤维素、半纤维素和木质素的量化研究，这些成分对纤维的结构稳定性和功能性表现至关重要。

植物纤维的提取在决定其作为复合材料和工程应用的结构完整性、表面特性及整体性能方面起着关键作用。不同的提取方法，从传统的水和露浸到机械、化学、酶解以及先进的蒸汽爆破技术，各有其优缺点，取决于植物来源和目标应用。虽然天然浸渍方法（如水浸和露浸）成本低廉且环保，但它们通常存在处理时间长和结果不稳定的问题。相比之下，化学和酶解方法能够更精确地去除非纤维素成分，从而获得更清洁、性能导向的纤维。先进的物理处理方法，如蒸汽爆破，可以进一步增强纤维的纤维化和表面积，但需要精细优化以避免纤维受损。化学浸渍，尤其是使用氢氧化钠（NaOH）等碱性溶液，是一种更为可控且广泛采用的方法，特别适用于高性能应用。它有效去除木质素和半纤维素，产生表面粗糙度更高、界面结合性能更优的纤维。因此，选择合适的提取方法对于平衡纤维质量、处理效率、环境影响以及其在高性能复合材料中的适用性至关重要。在本研究中，考虑到其在产生结构均匀、清洁和反应性纤维方面的有效性，选择化学浸渍法（特别是碱性处理）用于MAF和AAF假茎的纤维提取。

为了评估这些纤维的特性，本研究采用了一系列先进的分析方法，包括FTIR用于功能团的识别、TGA用于热稳定性评估、XRD用于结晶度研究以及拉伸测试用于机械性能的分析。此外，光学显微镜和SEM用于对纤维进行分类，基于其尺寸的一致性和表面特性，同时进行断裂前后的形态学研究。AFM分析则用于预测纤维的表面形貌和粗糙度条件，通过评估三维和二维图像。研究结果展示了这些纤维的化学和热稳定性、结构有序性和强度特性，呈现出复杂的材料性能图谱。通过将这些未被充分利用的假茎生物质转化为有价值的产品，该研究提供了一条环保的路径，有助于减少废弃物并最大化资源利用。

研究还指出，尽管MAF和AAF在化学成分和热性能上存在差异，但它们都具有成为高性能复合材料的潜力。MAF由于其更高的纤维素含量，展现出更强的机械性能，而AAF则因其较高的热稳定性表现出良好的应用前景。此外，研究还揭示了这些纤维在纤维素含量、结晶度、吸湿性和热稳定性方面的特性，为它们在工业应用中的进一步开发提供了科学依据。

综上所述，本研究不仅对MAF和AAF纤维的特性进行了系统分析，还为它们在生物复合材料中的应用提供了基础。研究结果有助于推动这些纤维在材料科学领域的创新，同时也为可持续发展和资源管理提供了新的思路。然而，本研究仍局限于实验室尺度的表征，未来需要进一步的研究来评估这些纤维的长期耐久性、大规模加工可行性以及在复合材料制造中的实际应用效果。