环氧树脂/微球/微纤化纤维素复合材料的机械性能增强及其在轻量化结构中的应用

本研究针对传统轻质聚合物复合材料脆性高的问题，通过将环氧树脂（Epoxy）、空心微球（Microballoon）与微纤化纤维素（MFC）复合，并添加增塑剂邻苯二甲酸二辛酯（DOP），开发出兼具高强度和韧性的轻质复合材料（密度<1 g/cm3）。结果表明，含1 phr MFC的复合材料弯曲强度达51.09 MPa，拉伸强度28.41 MPa，为交通运输领域轻量化材料设计提供了新思路。

　　

在追求节能减排的现代工业中，轻量化材料已成为航空航天、汽车制造等领域的关键需求。传统轻质泡沫材料（如聚苯乙烯）虽能减轻重量，却常因脆性大、承载能力差而受限。更棘手的是，以环氧树脂为基体的空心微球（Microballoon）复合材料虽具有低密度优势，但其固有的脆性会导致微裂纹扩展，最终引发结构失效。如何在不增加重量的前提下提升这类材料的强度和韧性，成为材料科学家们亟待解决的难题。

针对这一挑战，来自印尼泗水理工学院（Institut Teknologi Sepuluh Nopember）的Hosta Ardhyananta团队创新性地将两种改性策略相结合：一方面引入增塑剂邻苯二甲酸二辛酯（DOP）提升基体韧性，另一方面利用油棕空果串（OPEFB）提取的微纤化纤维素（MFC）作为增强相。这种"刚柔并济"的设计思路，不仅通过DOP的塑化作用改善了材料的断裂韧性，还借助MFC的高长径比特性构建了三维增强网络，最终成功制备出密度低于1 g/cm³的高性能复合材料。相关成果发表在《Journal of Materials Research and Technology》上，为农业废弃物高值化利用提供了示范。

研究人员采用标准复合材料制备工艺，通过热混合法将环氧树脂、K-15型玻璃微球（30 vol%）、DOP（5 phr）和不同含量MFC（1-4 phr）共混固化。利用万能试验机测定力学性能，密度天平测量比重，并结合FTIR和SEM分析材料化学结构与微观形貌。

3.1 弯曲性能分析
含1 phr MFC的复合材料展现出最优异的弯曲性能，强度达51.09 MPa（较纯环氧/微球体系提升92%）。DOP的加入使弯曲应变从1.52%增至4.21%，而MFC的增强作用使模量回升至1.87 GPa，证明该体系成功平衡了强度与韧性。

3.2 拉伸性能分析
DOP通过改善界面粘结使拉伸强度提升33%（27.01 MPa），而1 phr MFC的加入进一步将强度提高至28.41 MPa。但过量MFC（4 phr）会导致纤维团聚，使强度回降至26.55 MPa。

3.3 密度分析
所有复合材料密度稳定在0.92 g/cm³以下，其中DOP通过填充微球间隙使密度从0.81 g/cm³提升至0.92 g/cm³，而MFC的加入未显著增加重量。

3.4 比强度分析
1 phr MFC复合材料的比弯曲强度达55.53 MPa·cm³/g，比拉伸强度30.88 MPa·cm³/g，较传统体系提升68.9%，在轻量化指标上展现显著优势。

3.7 FTIR分析
1726 cm^-1处的羰基峰和3200-3600 cm^-1的羟基峰证实DOP与MFC通过氢键与环氧基体形成极性相互作用网络，这是性能提升的分子基础。

这项研究通过巧妙的"有机-无机"杂化设计，将石油基增塑剂与生物质增强相结合，开发出性能可调的轻质复合材料。特别值得注意的是，采用农业废弃物OPEFB提取的MFC不仅降低了成本，还实现了碳封存，为可持续发展提供了范例。该材料在比强度指标上超越传统环氧/微球体系达68.9%，且密度始终控制在1 g/cm³以下，完全满足交通工具对轻量化和安全性的双重需求。未来通过优化MFC表面改性和分散工艺，有望进一步提升其在高附加值领域的应用潜力。