天然纤维（大麻、黄麻和亚麻）吸水溶胀行为研究：揭示负泊松比（NPR）材料的独特溶胀动力学与流体-结构相互作用机制

　　本研究针对天然纤维在湿环境中的溶胀行为及其对材料性能的影响这一关键问题，系统开展了大麻、黄麻和亚麻单丝的水分吸收和溶胀动力学研究。通过高速成像技术和理论建模，研究人员首次量化了纤维在吸水过程中的轴向应变、径向膨胀和水分传输特性，发现大麻和黄麻表现出负泊松比（NPR）的拉胀行为，而亚麻则显示出最快的溶胀速率和最高轴向应变。研究结果揭示了天然纤维的独特溶胀机制，为设计功能性纺织品、生物医学支架和复合材料提供了重要理论基础，对推动可持续生物基材料发展具有重要意义。

　　

在可持续材料科学蓬勃发展的今天，天然纤维因其可再生性、低毒性和生物可降解性而备受关注。大麻、黄麻和亚麻等天然纤维不仅来源广泛、成本低廉，还具有高弹性模量、断裂强度和强吸湿性等优异特性，使其成为功能性纺织品、生物医学支架和复合材料等领域的理想候选材料。然而，当这些纤维处于潮湿或浸水环境时，水分会渗入其多孔弹性网络，引发流体与弹性纤维骨架之间的粘性相互作用，导致纤维发生溶胀现象。这种溶胀行为不仅影响纤维的尺寸稳定性，还可能改变其力学性能，从而直接影响最终产品的性能和使用寿命。

尽管已有大量研究关注织物水平的吸湿行为，但科学界对单个天然纤维在吸水过程中耦合的轴向和径向变形的认识仍然十分有限。特别是在纤维层面，溶胀可能引发一种极其有趣的力学响应——拉胀材料行为，即具有负泊松比（Negative Poisson's Ratio，NPR）的材料特性。这类材料在受到拉伸时会在横向发生膨胀，而不是像普通材料那样收缩，这种反常的力学行为在细胞固体和生物材料中已有发现，但在天然纤维中的存在和机制尚不明确。

为了解决这一科学问题，发表在《Industrial Crops and Products》上的这项研究对单个天然纤维（大麻、黄麻和亚麻）在吸水过程中的溶胀诱导变形进行了深入探索。研究人员通过高速光学成像技术量化了轴向和径向的应变演化过程，并提出了一个微观力学多孔弹性模型来描述耦合的流体-结构演化过程。通过这些实验和理论工作，研究团队成功提取了关键参数，包括轴向和径向应变、水分传输系数和体积溶胀参数，并揭示了大麻和黄麻在溶胀过程中表现出的拉胀行为（NPR）。

为开展这项研究，研究人员主要采用了几个关键技术方法：使用高速相机（Phantom VEO-E 340 L）与显微镜（Olympus BX51）联用系统，对纤维吸水溶胀过程进行实时监测和记录；开发专门的数值图像处理算法，通过跟踪纤维表面的特征点（如微小缺陷或凸起）来精确测量轴向位移；采用非线性最小二乘法（NLS）进行数据拟合，以确定溶胀过程的关键参数；基于多孔弹性理论和达西定律建立理论模型，描述水分在纤维孔隙中的输运和纤维骨架的弹性变形之间的耦合作用。所有实验纤维样本均来自零售供应商，包括大麻条（FA-192）、亚麻 top natural（FA-316）和黄麻带绳，确保了研究材料的实际应用相关性。

2. Experimental

研究人员开发了一套专门的实验装置，将圆柱形纤维自由放置（不夹持端部），并能够在纤维顶部添加水滴，同时记录水分吸收和纤维溶胀过程。实验系统由显微镜玻璃载玻片和定制设计的3D打印组件组成，在显微镜下通过高速相机捕获整个水分吸收和纤维溶胀过程。每个纤维被放置在一个带有小凹槽的3D打印件上，确保纤维安全固定而不需要夹持。

3. Theoretical background

研究团队建立了描述水分渗入弹性骨架的控制方程，包括结合了溶胀骨架的修正胡克定律和孔隙中水分过滤的达西定律。这些方程可以简化为一个关于α（决定当前体积变化和溶胀水平的无量纲物理参数）的抛物线传输方程：?α/?t = D?2α，其中传输系数D由D = (K + 4G/3)κ给出，K和G分别是弹性骨架的体积模量和剪切模量，κ是与水分过滤相关的物理参数。

4. Results and discussion

通过扫描电子显微镜（SEM）观察，研究人员获得了三种纤维的基本形态学 insights，显示纤维形态（如表面粗糙度、孔隙率和横截面规则性）可能影响流体传输。实验数据显示，亚麻经历了最高的轴向应变和最快的溶胀，水分传输系数D ～7.2 × 10^?11 cm²/s，而所有纤维吸收的水分相当于其干重的约50%。特别值得注意的是，大麻和黄麻表现出溶胀诱导的拉胀响应，即属于所谓的负泊松比（NPR）材料类别。具体而言，大麻和黄麻的泊松比分别为ν = ?0.253和?0.303，而亚麻的ν = 0.284。

通过质量平衡计算，研究人员估计了纤维吸收的水质量，发现所有纤维最终吸收的水量约为其质量的50%。亚麻（S02）吸收的水质量最大，约为黄麻（S03）的四倍，比大麻（S01）多约30%。这些差异突显了宏观参数（如极限轴向应变ε_eq和水分传输系数D）反映了材料的微观结构和组成，这些不可避免地控制着溶胀动力学。

5. Governing equations

研究团队推导出了控制多孔材料（如纤维）在浸入湿润液体中溶胀行为的本构方程，采用了一种修正的胡克定律：σ = ?Kα_eq(T)I + K(?·u)I + 2G[1/2(?u + ?u^T) ? 1/3(?·u)I]，其中σ是应力张量，I是单位张量，u是位移向量，K和G是多孔骨架的体积模量和剪切模量，T是温度，α_eq(T) > 0是负责吸收现象的无量纲物理参数。

6. Swelling theory of a free-standing filament submerged in a wetting liquid

对于自由站立纤维的轴对称溶胀情况，研究人员发现位移场在运动学上是可接受的，并推导出了应力和压力的具体表达式。理论分析表明，在溶胀纤维中（其中dε/dt > 0），孔隙中的压力p < 0，这意味着浴槽中的较高压力将吸收液体驱动到孔隙中，那里的压力较低。当纤维无轴向载荷时，理论预测与实验数据高度一致。

研究结论表明，这项工作探索了水分吸收到溶胀的天然纤维（大麻、黄麻和亚麻）中的过程。通过高速光学观察量化了溶胀和轴向伸长速率，并使用多孔弹性框架建立了随时间变化的应变演化模型，该框架包含两个材料参数：平衡轴向应变ε_eq和传输系数D，以及相关的极限径向应变u_r,eq/a。这些参数决定了体积溶胀系数α_eq，它控制了水分吸收的动态过程。与实验数据的比较证实，该模型准确预测了所有试样的溶胀行为。

基于理论和实验结果，发现大麻和黄麻在溶胀下的负泊松比（NPR）ν为负值，表明它们的拉胀行为，而亚麻则保持ν为正值。此外，应变-时间响应中的平台区域直接反映了试样的吸水能力。结果显示，大麻、黄麻和亚麻能够吸收相当于其干纤维质量约50%的水质量。

这些发现建立了一个量化天然纤维在水分吸收过程中溶胀的框架，有助于优化天然纤维产品的材料选择。观察到的大麻和黄麻的溶胀诱导拉胀行为可能为湿敏纺织品、可调生物医学支架和环境敏感复合结构提供新的功能。吸水性大麻和黄麻，展示出NPR行为，显著扩展了天然材料家族，这与最近在Marmier等人（2023）的综述中讨论的内容相一致。

需要强调的是，本研究中开发的实验和理论方法仅限于圆柱形试样和吸收水分的自由站立天然纤维。由人造纤维组成的各种擦拭片的盘状试样将是应用本方法的下一个候选对象，尽管在这种情况下水分是被吸收到纤维间孔隙而不是单个纤维中。未来的工作还计划研究负载下从含水纤维材料中释放水分的过程，这是一个密切相关但在此未详细探索的现象。