石灰与碳酸氢钠处理菠萝叶纤维的机械增强案例研究：迈向可持续复合材料之路

《Environmental Technology & Innovation》：A Case Study on Mechanical Enhancement of Pineapple Leaf Fibers Treated with Lime and Sodium Bicarbonate

　　本研究针对传统NaOH处理菠萝叶纤维(PALF)存在的环境危害问题，开发了石灰(CaO)和碳酸氢钠(NaHCO3)两种环保型处理方法。通过系统比较不同浸泡时间下两种PALF的力学性能、线性密度、FTIR光谱和SEM形貌，发现24小时碳酸氢钠处理可使纤维拉伸强度提升75%以上，性能优于传统NaOH处理。该研究为天然纤维增强复合材料提供了更可持续的预处理方案，对推动绿色材料发展具有重要意义。

　　

随着全球环保意识的提升，天然纤维正逐步取代玻璃纤维成为复合材料领域的新宠。特别是在不要求极高强度的应用场景中，天然纤维以其密度低、成本低、可再生和可生物降解等优势展现出巨大潜力。在毛里求斯等热带地区，菠萝叶作为丰富的农业废弃物，为生物基纤维复合材料提供了尚未开发的资源宝库。然而，未经处理的天然纤维通常存在拉伸强度低、与聚合物基质粘附性差等问题，难以满足高性能复合材料的要求。

传统上，人们采用氢氧化钠(NaOH)对纤维进行化学预处理来改善其性能。虽然NaOH处理效果显著，可使菠萝叶纤维(PALF)的拉伸强度提升高达150%，但这种化学品具有合成成本高、环境危害大、健康风险高等缺点。因此，开发更环保的替代处理方法成为当前研究的迫切需求。

在此背景下，来自德国亚琛工业大学纺织技术研究所的研究团队开展了一项创新性研究，系统比较了石灰(CaO)和碳酸氢钠(NaHCO₃)两种环保处理方法与传统NaOH处理的效果。研究成果发表在《Environmental Technology》期刊上，为天然纤维的可持续应用提供了重要技术支撑。

研究人员采用了几项关键技术方法开展本研究。他们选取了来自毛里求斯本地和印度尼西亚的两种菠萝叶纤维作为实验材料，通过单纤维拉伸测试系统评估了不同处理条件下纤维的力学性能变化。利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析了纤维化学结构的变化，包括纤维素转化和杂质去除情况。通过扫描电子显微镜(SEM)观察了纤维表面形貌的改变，特别是石灰处理特有的钙结节形成现象。此外，还测量了纤维的线性密度变化，以评估处理过程中纤维细度的改变。

3.1. 拉伸强度结果

研究结果显示，几乎所有处理条件都提高了纤维的拉伸强度。碳酸氢钠处理24小时效果最为显著，使本地和进口PALF的拉伸强度分别达到591MPa和575MPa，增幅超过75%。石灰处理也能提升约50%的拉伸强度，表现与传统NaOH处理相当甚至更优。值得注意的是，过长的浸泡时间（如NaOH处理24小时）反而会导致纤维降解，强度下降。

3.2. 线性密度

处理后的纤维线性密度普遍降低，表明胶结材料被有效去除。本地纤维的线性密度减少尤为明显，其中石灰处理4小时降幅达43%。这种质量减少与直径减小相关，但并非完全成正比，暗示纤维密度可能发生了变化。

3.3. FTIR分析

FTIR光谱分析揭示了处理过程中的化学变化。NaOH和石灰处理都能部分去除木质素和半纤维素，而碳酸氢钠处理的去除效果相对较弱。更重要的是，所有碱性处理都促进了纤维素I向纤维素II的转化，这一结构重组是拉伸强度提升的关键因素。总结晶度指数(TCI)和横向有序指数(LOI)的变化进一步证实了纤维素结构的优化。

3.4. SEM分析

SEM图像显示，处理后的纤维表面杂质明显减少，纤维壁结构更加清晰。特别值得注意的是，石灰处理后在纤维表面形成了钙结节，这种结构可能对纤维起到增强作用。随着浸泡时间延长，钙结节的密度增加，与拉伸强度的提升趋势相符。

研究结论表明，碳酸氢钠处理24小时是PALF最为有效的环保增强方法，拉伸强度提升超过75%。石灰处理也能达到约50%的增强效果，两者均优于或相当于传统NaOH处理。FTIR和SEM分析证实，性能提升主要源于纤维素结构重组和表面形貌改善，而非单纯的杂质去除。

这项研究的重要意义在于，它首次系统比较了石灰和碳酸氢钠两种环保处理方法对PALF的增强效果，为天然纤维的可持续应用提供了可靠的技术方案。碳酸氢钠作为一种廉价、安全、易得的化学品，其处理效果甚至优于传统NaOH，这为绿色复合材料的发展开辟了新途径。未来研究可进一步探讨这些处理方法对纤维与聚合物基质界面相容性的影响，推动环保型天然纤维复合材料在实际工程中的应用。

该研究不仅为解决农业废弃物资源化利用提供了技术支撑，也为减少复合材料行业对有害化学品的依赖做出了重要贡献，对促进循环经济和可持续发展具有深远影响。