Comprehensive Review of Banyan Tree Fibre-Reinforced Epoxy Composites: Structure–Property Relationships and Performance Evaluation

技术摘要：榕树纤维增强环氧树脂复合材料综合综述

问题陈述
本文针对日益增长的对环保、可生物降解且具成本效益材料的需求，旨在取代各种工程应用中的合成纤维复合材料（如碳纤维、玻璃纤维和芳纶）。虽然合成纤维具有高性能，但它们存在健康危害、价格昂贵且缺乏生物降解性。本研究重点评估了榕树纤维（特别是来自根部的纤维）作为环氧树脂基体内天然增强剂的可行性。核心问题在于理解这些生物复合材料的结构-性能关系，特别是纤维处理、提取方法以及基体相互作用如何影响其机械、热学和摩擦学特性。

研究方法
这项工作被呈现为对有关榕树纤维增强环氧树脂复合材料现有研究和实验数据的系统综述与性能评估。其方法论包括：

• 材料提取与处理： 研究考察了从榕树根部提取的纤维，并采用了多种处理方法，包括 NaOH（碱）处理、蒸汽爆破工艺和酶处理。这些处理的目标是去除木质素和半纤维素，从而改善纤维与基体的粘附力。
• 基体选择： 主要使用的基体是 环氧树脂 (LY556)，这是一种热固性聚合物。文中区分了热固性聚合物（固化后保持固体状态）与热塑性聚合物（加热时熔化），指出尽管环氧树脂具有固有的脆性，但由于其高性能，在结构应用中更受青睐。
• 表征技术： 本综述综合了通过多种分析方法获得的数据：
  • 扫描电子显微镜 (SEM)： 用于分析表面形貌、纤维-基体界面结合情况以及污染物是否存在。
  • 热重分析 (TGA)： 通过测量随温度升高（最高至 600°C）的重量损失，来评估热稳定性。
  • X 射线衍射 (XRD)： 用于确定晶体结构，包括晶粒尺寸和层间距，并对比碱处理与未处理纤维的差异。
  • 傅里叶变换红外光谱 (FTIR)： 用于识别复合材料中的官能团和化学键特性。
  • 机械测试： 采用标准化测试（用于拉伸的 ASTM D3039，用于弯曲的 ASTM D790，以及冲击/摆动测试）来评估拉伸强度、弯曲模量、冲击强度和硬度。

主要贡献与结果
本文提供了榕树纤维复合材料与其他天然纤维（剑麻、黄麻、竹纤维、香蕉纤维）及合成替代品的机械和物理性能对比分析。

• 机械性能：

  • 拉伸强度： 结果表明，经 NaOH 处理的纤维比未处理的纤维具有更高的拉伸强度。这种处理去除了结合剂（木质素/半纤维素）并增强了结晶度，从而实现了更好的应力传递。然而，拉伸强度仅在达到最佳纤维负载水平前才会增加，随后会下降。
  • 弯曲强度： 以竹纤维和经过处理的榕树纤维增强的复合材料表现出优于纯环氧树脂的弯曲特性。研究指出，5% 的 NaOH 浓度比 10% 的浓度能产生更好的效果。
  • 冲击强度： 与拉伸性能不同，冲击强度往往随纤维含量的增加而增加。复合材料展现出增强的能量吸收能力。
  • 对比数据： 文中展示了显示各种复合材料特定值的表格数据。例如，含有 6% NaOH 的剑麻纤维环氧树脂表现出 11.06 MPa 的拉伸强度和 38.02 MPa 的弯曲强度；而香蕉纤维复合材料在特定配置下显示出显著更高的拉伸值（388 MPa），这凸显了基于纤维类型和取向的差异性。

• 结构与热学分析：

  • SEM 分析： 显示处理后的纤维与环氧基体具有更好的粘附性，减少了空隙并改善了界面结合。
  • XRD 分析： 证实了碱处理通过去除无定形纤维素部分增加了纤维的结晶度，这与机械性能的提升相吻合。
  • 热稳定性： TGA 结果表明，天然纤维是环保的，与合成纤维相比释放的有害气体较少，尽管其热稳定性通常低于合成纤维。

• 材料特性：

  • 榕树纤维具有抗菌特性，使其适用于卫生相关应用。
  • 复合材料具有低密度、高孔隙率和生物降解性。
  • 研究指出，虽然天然纤维的强度通常低于合成纤维，但在特定刚度、耐腐蚀性和疲劳强度方面具有优势。

意义与主张
论文得出结论，榕树天然纤维与环氧树脂基体具有高度兼容性，两者形成的强力结合使得复合材料在特定背景下具有媲美甚至优于其他有机纤维的机械和物理品质。

• 应用范围： 作者声称这些复合材料适用于小面积应用，而非重载结构部件。具体的建议应用包括：
  • 装饰品和灯罩。
  • 垫块和空心杆。
  • 飞机内部零件和面板。
  • 食盘。
• 环境影响： 研究强调了这些生物复合材料替代合成纤维的潜力，从而减少污染、降低毒性，并通过生物降解性助力废物管理。
• 主张的审慎性： 论文在承认天然纤维局限性的同时保持了谦逊的基调，承认虽然它们提供了显著的环境和经济效益，但其机械性能高度依赖于纤维处理、取向和负载量。它并未声称这些复合材料可以普遍取代所有高性能领域的合成纤维，而是强调了它们在特定、要求较低的应用中的可行性。

作者声明不存在任何利益冲突，并指出未收到任何外部资助进行此项研究。