竹-蕉-棉杂化夹层复合材料的轻质屋顶应用：力学、热学及微观结构的多维分析

为开发可持续节能建材，研究人员通过压缩成型技术制备竹-蕉-棉杂化夹层复合材料（35 wt%纤维/65 wt%环氧树脂），系统评估其力学（弯曲模量2.87 GPa、冲击强度29.12 kJ/m2）、热学（导热系数0.21 W/mK）及吸水性能。结果表明，含11.25 wt%棉纤维的复合材料展现出最优综合性能，为绿色屋顶材料提供新选择。

　　

随着全球对可持续建筑材料的迫切需求，传统合成材料的高能耗和环境污染问题日益凸显。天然纤维增强复合材料（NFRCs）因其可再生、可降解和低成本特性成为研究热点，但单一纤维性能局限和结构设计缺陷制约其实际应用。针对这一挑战，孟加拉国服装技术大学（BGMEA University of Fashion and Technology）的研究团队创新性地将三种天然纤维——高强度竹纤维、高韧性香蕉纤维和柔性棉纤维——通过夹层结构设计复合，制备出轻质高性能屋顶材料，相关成果发表在《Hybrid Advances》上。

研究采用压缩成型技术（15 bar, 70-90°C）制备五组不同纤维配比的复合材料，通过三点弯曲试验（ASTM D790）、夏比冲击测试（ASTM D256）、肖氏硬度计（ASTM D2240）系统评估力学性能，结合扫描电镜（SEM）、热重分析（TGA）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）揭示微观机制。

力学性能：含20 wt%竹纤维/11.25 wt%棉纤维/3.75 wt%香蕉纤维的复合材料（S4）展现最优弯曲性能（模量2.87 GPa，强度124.61 MPa），比纯竹-蕉复合材料提升56.11%。冲击测试显示棉纤维的延展性（4-6%断裂伸长率）显著提升能量吸收（29.12 kJ/m²），SEM证实其纤维-基体界面结合紧密。

热学特性：棉纤维主导的S4复合材料导热系数最低（0.21 W/mK），TGA显示其热分解起始温度达142.6°C，DTG曲线中377.7°C的峰值降解速率最缓。DTA分析揭示棉纤维的芳香环结构（1510 cm^-1 FTIR峰）增强了热稳定性。

耐水性：得益于棉纤维较低吸湿性（7-8%含水量），S4在120小时浸泡后吸水率仅11.31%，显著低于香蕉纤维复合材料（17.62%），SEM观察到其空心结构导致的毛细效应是主因。

该研究通过多尺度表征证实，竹纤维表皮与棉/蕉纤维芯层的三明治结构协同优化了力学-热学平衡性能。特别值得注意的是，棉纤维的高纤维素含量（82.7%）与环氧树脂形成强氢键（3400 cm^-1 O-H峰），而香蕉纤维的中空结构（SEM可见）虽不利耐水性，但提升了冲击能量吸收。这种"刚柔并济"的设计策略为开发兼具高强、隔热、耐候的屋顶材料提供了新思路，其碳足迹较传统材料降低30%以上。未来研究可进一步优化纤维表面处理工艺，并开展户外长期老化试验以验证实际应用潜力。