卡希利姜茎纤维作为聚合物基复合材料增强剂/填充剂的适用性

《Results in Engineering》：Suitability of Kahili Ginger Stem Fibres for Reinforcement/Filler of Polymeric Matrix Composites

香茅草茎片机械薄ning产生的残渣经碱/硅烷处理后，评估为聚合物基复合材料的增强/填充材料。结果显示纤维热稳定达200°C，吸水率24%，弹性模量23±3 GPa，抗拉强度277±113 MPa，证实其应用潜力。

　　这项研究聚焦于一种名为“Kahili ginger”（KG）的植物，它被认为是世界上最具有破坏性的入侵物种之一，广泛分布于包括葡萄牙、印度、尼泊尔、大西洋岛屿、澳大利亚、新西兰、美洲等地区。由于其快速生长、适应性强以及可以通过种子和根茎传播，KG对当地生态系统造成严重影响，甚至威胁生物多样性。然而，这种植物的快速生长和广泛分布也意味着其大量生长的潜力，从而为工业应用提供了可能。研究者试图评估KG茎部纤维是否可以作为聚合物基复合材料（PMC）的增强材料或填充材料，以提高其经济价值并减少其生态危害。

在研究过程中，研究人员首先通过机械修剪获取KG的茎部碎片，然后对这些碎片进行化学处理，包括碱处理和硅烷处理。碱处理的目的是去除纤维表面的木质素、半纤维素和其他杂质，从而暴露更多的纤维素，提高纤维的表面粗糙度和羟基含量，增强其与聚合物基体的结合能力。硅烷处理则是在碱处理之后进行的，通过引入硅烷偶联剂，如氨基丙基三乙氧基硅烷，来改善纤维与聚合物基体之间的界面化学键合，形成一种连接纤维和聚合物的桥梁，提升材料的综合性能。

在实验过程中，研究人员对处理后的KG纤维进行了多项测试，包括形态学分析、傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析、X射线衍射（XRD）分析、热重分析（TGA）、水吸收测试、润湿性测试和拉伸测试。通过这些测试，他们评估了KG纤维在不同处理条件下的化学组成、热稳定性、水吸收率、亲水性以及拉伸机械性能，并将这些结果与文献中报道的其他常用天然纤维（如剑麻、亚麻、黄麻、竹子等）进行了比较。

形态学分析表明，碱处理和硅烷处理显著改善了KG纤维的表面结构。未处理的纤维表面存在明显的裂纹，这可能会影响其机械性能和与基体的结合能力。而经过碱处理的纤维表面裂纹减少，且呈现更粗糙的结构，这有助于提高纤维与聚合物基体的机械连接。硅烷处理进一步使纤维表面更加均匀，且减少了表面裂纹，显示出更好的结构完整性。

FTIR分析结果显示，碱处理和硅烷处理对KG纤维的化学结构产生了显著影响。未处理的纤维含有较多的芳香化合物和C=O基团，而经过碱处理后，这些成分的含量明显减少，同时纤维素的含量增加，表明处理过程中去除了部分非纤维素成分。硅烷处理进一步改变了纤维表面的化学组成，减少了羟基含量，增加了硅氧键和氨基的存在，从而改善了纤维的表面特性。

XRD分析揭示了KG纤维的结晶度指数（CI）的变化。未处理的KG纤维的CI为62.5%，而经过碱处理后，CI提高到了71.1%，硅烷处理后的纤维CI进一步上升至76.1%。这表明处理过程促进了纤维素的结晶化，从而提升了纤维的热稳定性和机械性能。

TGA分析显示，未处理的KG纤维在空气中可稳定至约150°C，而经过碱处理和硅烷处理的纤维则能稳定至200°C以上。这意味着处理后的纤维具有更高的热稳定性，适合用于需要较高耐温性能的复合材料制造。硅烷处理后的纤维表现出更高的热稳定性，这可能与其表面形成的硅烷层有关，该层有助于提高纤维的耐热性。

水吸收测试表明，KG纤维的水吸收率较高，但经过碱处理后显著降低，进一步经过硅烷处理则可以进一步减少水吸收率。这表明处理过程可以有效降低纤维的亲水性，提高其在复合材料中的相容性。润湿性测试结果也支持这一观点，碱处理提高了纤维的亲水性，而硅烷处理则使纤维表面更加疏水，从而提高了其与聚合物基体的结合能力。

拉伸测试结果显示，经过碱处理和硅烷处理的KG纤维表现出更高的弹性模量和抗拉强度，但其延展性有所下降。未处理的KG纤维弹性模量为14.6±7.3 GPa，抗拉强度为212±90 MPa。经过碱处理后，弹性模量增加到22.5±3.3 GPa，抗拉强度提升至261±142 MPa。硅烷处理进一步提升了弹性模量至23±3 GPa，抗拉强度达到277±113 MPa。这些结果表明，经过化学处理的KG纤维在机械性能方面具有较大的提升潜力，使其更适合作为复合材料的增强材料。

此外，研究人员还通过扫描电子显微镜（SEM）观察了纤维的断裂表面，发现处理后的纤维在断裂时没有明显的永久变形，这与拉伸测试中显示的弹性行为一致。同时，研究指出，KG纤维的提取率约为35%，这意味着在机械修剪过程中可以回收相当比例的纤维，为工业化应用提供了可能。

综合来看，KG纤维在经过适当的化学处理后，其热稳定性、水吸收率、润湿性和机械性能均得到了显著改善，使其成为一种有潜力的天然纤维增强材料。与传统合成纤维相比，KG纤维不仅具有较低的环境影响，还能够为复合材料提供更轻的重量和良好的声学性能。因此，将KG纤维用于复合材料制造不仅有助于解决其生态问题，还能为工业领域提供一种可持续的替代材料。