Waste-to-Performance Thermoplastic Composites through Valorization of Residual Hemp Noil via Micronization and Interfacial Engineering
本研究表明，通过界面工程，微米化且经酸处理的大麻短纤维可以有效地作为可持续增强相应用于各种热塑性基体中，从而显著提升所得复合材料的力学和热学性能。
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每年，纺织业都会产生大量的短纤维和缠结纤维，这些纤维太短，无法被纺成纱线。这些被称为“麻屑”（noil）的碎屑通常被当作废料丢弃，尽管它们来自大麻——一种以强度和可再生性著称的植物。与此同时，世界正在寻找减少塑料对环境危害的方法，寻找可以自然降解或由植物而非石油制成的材料。挑战在于如何将这两个世界融合在一起：将粗糙的植物基大麻碎屑与塑料平滑地混合，以创造出强韧且实用的材料。当植物纤维遇到合成塑料时，它们往往拒绝结合在一起，就像油和水一样，导致最终产品脆弱且容易断裂。科学家们长期以来一直在寻求一种弥合这一差距的方法，通过处理纤维使其能与塑料紧密结合，从而将曾经的垃圾转化为绿色未来中有价值的建筑基石。
研究团队现在通过将剩余的大麻麻屑转化为高性能材料，在解决这一问题方面迈出了重要一步。通过使用来自中国一家生物技术公司的残留大麻，科学家们开发出一种方法，将这些废弃纤维转化为细粉，并将其与各种类型的生物降解塑料和常规塑料进行混合。该过程始于一个简单但有效的方法：将大麻纤维浸泡在温和的酸溶液中。这一步不仅清洁了纤维，还将它们分解成了更小的碎片。未经处理的大麻纤维平均尺寸约为63微米，而经酸处理后的纤维平均减小到了约20微米。这种尺寸的减小至关重要，因为更小的颗粒可以在塑料中更均匀地分布，从而创造出更均匀、更强韧的材料。
在大麻被研磨成细粉后，研究人员将其与四种不同类型的塑料基体混合：聚丙烯（一种广泛用于许多日常用品的常见塑料）、热塑性淀粉（一种由可再生作物制成的材料）、聚乳酸（一种源自玉米或甘蔗的生物塑料），以及聚乳酸与另一种被称为PBAT的柔性塑料的混合物。为了确保大麻与塑料能够粘合在一起，他们添加了特殊的化学试剂，如马来酸酐和尿素，它们在分子水平上起着类似胶水的作用。随后，混合物被加热并在模拟工业熔融和塑形过程的机器中进行揉捏。通过测量揉捏过程中混合物的阻力，团队可以观察不同组合的流动性和混合程度。他们发现，特定塑料与添加剂的组合比大麻本身的处理方式更为重要。例如，大麻粉与聚丙烯的混合物流动性与大麻与淀粉的混合物不同，且某些化学物质的加入改变了材料在热量和压力下的行为。
这些新材料的真正考验在于研究人员对其施加压力时。他们拉伸硬化的塑料样品并对其进行弯曲，以观察其在断裂前能承受多大的力量。结果显示，材料的性能完全取决于它与哪种塑料混合。在拉伸强度方面表现最强的样品是由聚乳酸和一种特定的化学添加剂制成的，它承受了11.23兆帕的应力。这与使用聚丙烯制成的样品相比有了巨大的提升，后者要弱得多。然而，在抗弯曲能力方面，情况发生了变化。大麻与热塑性淀粉的混合物被证明是最耐弯曲的，在30.28兆帕的应力下仍能保持稳固。有趣的是，未经处理的大麻纤维（体积较大且未经过酸浸泡）在淀粉混合物中的表现出奇地好，在弯曲强度方面甚至略优于处理过的版本。这一发现表明，对于某些类型的塑料，塑料本身的化学性质比大麻纤维的尺寸或处理方式更为重要。
除了强度之外，研究人员还观察了这些材料在热量下的表现。他们加热样品直到其开始分解，并测量发生分解时的温度。由聚丙烯制成的样品表现出最强的耐热性，在高达470.5摄氏度的温度下仍保持稳定。相比之下，由聚乳酸和淀粉制成的样品在较低的温度（约350摄氏度）下就开始降解。这种差异是预料之中的，因为基础塑料本身具有不同的耐热极限，但研究证实，添加大麻粉并未破坏这种稳定性。通过在强力显微镜下观察样品的断裂面，团队发现表现较好的材料中，大麻脱离塑料的地方产生的缝隙和孔洞较少。这些视觉证据证实，化学添加剂帮助植物纤维与塑料紧密结合，使材料能够有效地分担载荷，而不是在薄弱点失效。
研究结论指出，将大麻废料转化为有用材料不仅仅是关于缩小纤维尺寸或清洁纤维，而是关于为它们找到合适的伙伴。研究表明，残留的大麻麻屑可以成功转化为可持续塑料的增强材料，但最终的强度和耐久性取决于塑料类型、混合添加剂以及纤维处理方式之间的仔细平衡。虽然酸处理成功地使纤维变小且更容易混合，但它并不是能改善所有属性的“万灵药”。相反，这项工作强调了一种复杂的关系，即选择塑料基体往往比纤维处理更能决定最终的性能。这种方法为工业界提供了一条实用的路径，使其能够减少浪费并创造新的环保材料，应用于从包装到汽车零部件的各个领域，证明了曾经被视为工业垃圾的东西可以被重新构想为宝贵的资源。
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