论文标题：Improving the Long-Term Mechanical Properties of Thermoplastic Short Natural Fiber Compounds by Using Alternative Matrices

论文链接：https://www.mdpi.com/2313-7673/10/1/46

期刊名：Biomimetics

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/biomimetics

文章导读

受仿生学启发，本研究借鉴天然木纤维的结构与功能特征，以提升聚合物复合材料的综合性能。通过将木纤维等天然纤维整合到热塑性基体中，模拟了天然复合材料通过纤维增强实现轻质高强度结构的策略。这种仿生方法不仅增强了材料的力学性能，包括拉伸强度和弯曲强度，同时有助于降低对化石基材料的依赖，符合环境可持续发展的要求。此外，通过模仿天然复合材料中的层级结构，有助于推进材料工程的发展，尤其是在严苛环境下材料的应用。

图1. 注塑成型样品的并排图像

研究过程与结果

木塑复合材料通过添加天然纤维来增强其力学性能，提供了一种减少碳足迹的途径。然而，关于这些材料在恶劣条件下的力学性能信息有限。考虑到这些不利因素，本研究旨在采用三种不同的热塑性基体，聚丙烯、聚苯乙烯和聚乳酸，通过传统的加工工艺 (挤出和注塑成型) 制备木塑复合材料。研究并比较了相容化处理对纤维与基体之间的界面结合性能，以及退火处理对木塑复合材料热力学性能的影响。因此，在吸水的影响下，进行了拉伸、弯曲、冲击和热变形温度测试。

此外，还分析了结晶和环境条件 (如相对湿度和冻融循环) 对蠕变行为的影响。为了将木塑复合材料的性能与常用复合材料的性能进行比较，同时制备并测试了玻璃纤维增强聚丙烯。

研究总结

研究采用反应挤出法制备了基于聚丙烯、聚苯乙烯和聚乳酸的木纤维增强复合材料及其各自的相容化版本。评估了这些复合材料的力学性能和吸水率。

•以玻璃纤维作为对比，发现玻璃纤维能够显著提高聚丙烯基体的拉伸强度、弯曲强度和热变形温度。

•在聚合物基体中添加纤维可以提高复合材料的拉伸模量、拉伸强度、弯曲模量、弯曲强度、热变形温度和密度。然而，冲击强度却有所下降。

•聚苯乙烯基体的拉伸强度和弯曲强度并未得到改善，这可能是由于基体/增强体相互作用机制效率较低所致。

•在聚乳酸复合材料中，增加纤维含量可以普遍改善除弯曲强度以外的力学性能。与细木纤维相比，粗木纤维表现出更优的力学性能，尤其是在拉伸强度方面，而其他性能基本保持不变。

•在混炼过程中，不同的相容剂添加方式并未影响复合材料的性能。热退火处理被证明是进一步提高聚乳酸复合材料力学性能和热变形温度的有效方法。

•聚乳酸复合材料在水存在下更容易发生降解，因为在所研究的材料中，其吸水率最高。在蠕变测试中，温度升高进一步缩小了聚乳酸和聚丙烯复合材料之间的形变差异。虽然还需要进行更精确的测试，但研究结果表明，采用这种纤维含量和退火工艺制备的聚乳酸复合材料具有与玻璃纤维增强聚丙烯相当的力学性能，使其在某些应用中具有潜在的替代价值。这种替代可以减少对化石基聚烯烃的依赖，为聚合物复合材料应用提供更加可持续的发展路径。

原文出自 Biomimetics 期刊

Cosse, R.L.; van der Most, T.; Voet, V.S.D.; Folkersma, R.; Loos, K. Improving the Long-Term Mechanical Properties of Thermoplastic Short Natural Fiber Compounds by Using Alternative Matrices. Biomimetics 2025, 10, 46.

期刊介绍

主编: Prof. Dr. Stanislav N. Gorb, University of Kiel, Germany

Biomimetics (ISSN 2313-7673) 是一个国际型开放获取英文学术期刊，致力于发表仿生学与仿生技术领域的最新研究成果。期刊内容从生物体的基本机制出发，深入探讨生物特性在人类应用领域中的转化与应用。本刊旨在为材料科学、机械工程、纳米技术以及生物医学领域的研究人员搭建高水平的交流平台，鼓励通过生物启发式设计解决复杂问题，推动工程技术与生物医学领域的可持续创新。期刊已被Scopus, SCIE (Web of Science), PubMed, PMC, Ei Compendex, CAPlus / SciFinder等数据库收录。

2025 Impact Factor: 4.2

2025 CiteScore: 6.2

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Acceptance to publication：3.5 days