了解植物纤维增强复合材料在阳光下老化的影响

不要以为生物基复合材料是什么新概念，自古以来它就有广泛的应用——在历史上的不同时期，房屋、基础设施和工具都是由粘土和石头与纤维状的植物和动物产品结合而成的。这些天然材料的加工和表征改进，推动了它们最近的工业使用。据Research and Markets估计，2022年，全球生物复合材料市场估计为192亿美元，这些材料被用于建筑、航空航天、汽车和包装等领域。而该市场预计到2028年将增长到468亿美元。

然而，这种材料在户外应用中的效用有限，因为生物复合材料在暴露于外部环境中往往会老化。魁北克大学三河分校（Université du Quebec á Trois）的研究人员进行了一项新的研究，更详细地探讨了这种环境老化问题，特别是考虑到短天然纤维增强热塑性塑料（Short Natural Fibre-reinforced thermoplastic）复合材料。

研究人员报告了两种聚丙烯生物复合材料：一种是用亚麻纤维制成的，另一种是用松木纤维制成的。两种复合材料中纤维与基体的比例保持一致，均为30wt%。标记为样品PP30-F和PP30-P。分别通过加速老化试验，包括在60°C的温度下用紫外线照射总共960小时。在五个时间点，即0小时、160小时、320小时、640小时和960小时后，评估了样品的颜色、粗糙度和表面形态的变化，以及样品的弯曲性能和落重冲击行为。

研究人员发现，虽然紫外线老化并没有改变生物复合材料的基本化学构成，但样品的红外光谱中的峰值随着曝光时间的增加而增加。这表明两种样品都经历了光氧化。然而，松木纤维复合材料的增加比亚麻纤维更明显。表明松木纤维在紫外线照射下会发生更多的光氧化反应。他们将此归因于松树富含木质素的特性。松树的木质素含量平均而言是亚麻的十倍。

从视觉上看，样品也随着时间的推移而变化。通过暴露在紫外线下进行漂白。这种颜色的转变大部分发生在最初的480小时内，由于它与木质素含量的结构有关，两种复合材料的变化有明显差异。经过960小时的曝光，样品PP30-F和PP30-P的颜色变化分别达到40.95%和31.31%。"

在粗糙度方面，两种生物复合材料最初都表现出光滑的表面，没有缺陷。随着它们的老化，它们的表面粗糙度出现不同程度的增加。样品暴露在紫外线下的时间越长，它们就越粗糙，在暴露960小时后，也观察到了微裂纹。然而，与亚麻复合材料相比，松木纤维样品PP30-P表现出较少的裂纹和较小的粗糙度。作者再次将此归因于木质素，他们说木质素具有 "抗氧化作用"。

弯曲试验表明，老化对生物复合材料的机械性能有负面影响，最明显的老化发生在头480小时。同样，亚麻复合材料PP30-F的老化比松木纤维复合材料更严重。跌落重量冲击试验得出了类似的结果。两者弯曲试验都出现不同程度的变形，但PP30-F的表现最差。

研究人员的结论是：户外应用的生物复合材料结构的设计应考虑紫外线照射对机械性能的影响，以更准确地确定其耐久性特征并防止重大损坏。