碳酸钙处理使天然纤维拉伸强度接近翻倍，聚合物复合材料替代碳纤维获新进展

B910化工消息：5月20日消息，美国太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）机械工程师Dounia Boushab团队在ACS Omega发表研究论文（DOI: 10.1021/acsomega.6c00108），报道了一种利用碳酸钙（CaCO₃）增强天然植物纤维的简便方法，为聚合物复合材料中的植物纤维替代碳纤维和玻璃纤维提供了新路径。

聚合物复合材料广泛用于汽车车身部件制造，从保险杠到内饰面板。工程师更倾向于使用植物纤维替代碳纤维或玻璃纤维作为增强材料，因为植物纤维廉价、储量丰富且环境友好。但植物纤维与聚合物基体的粘合性差、吸水率高，导致复合材料在使用中容易膨胀和性能下降。

研究团队将大麻纤维和黄麻纤维浸渍在质量分数40%的碳酸钙水悬浮液中，干燥后纤维表面均匀分布着碳酸钙颗粒。处理后，大麻纤维拉伸强度从约498MPa提升至约904MPa，黄麻纤维从约539MPa提升至约960MPa，增幅接近一倍。在吸水性能方面，处理后大麻纤维吸水率仅约为自身重量的5%，黄麻纤维约为3%，较未处理纤维显著降低。

碳酸钙处理与传统的碱处理（NaOH）方法有本质区别。NaOH处理通过剥离纤维中的木质素和表面油脂来改善性能，但过程"化学侵蚀性强，可能导致纤维降解"，论文第一作者Boushab指出。而碳酸钙仅涂覆在纤维表面，不与纤维发生化学反应，是一种更温和的物理改性方案。同时，处理后纤维表面粗糙度增加，有利于与聚合物基体的机械咬合，进一步提升复合材料的界面结合强度。

该项目聚焦于汽车工业中应用最广的两种植物纤维，但Boushab表示该增强方法应同样适用于棉花等其他植物纤维。碳酸钙是自然界中储量丰富的矿物——石灰石、贝壳和抗酸药片的主要成分——原料成本极低。

从行业应用角度看，汽车轻量化是当前汽车工业的重要发展方向。全球主要汽车制造商正积极寻求碳纤维和玻璃纤维的可持续替代方案。植物纤维复合材料不仅可降低材料成本，还能减少制造过程中的碳排放。此前限制植物纤维大规模应用的核心瓶颈就是吸水性和界面粘合问题，CaCO₃处理方案如果能在工业规模验证，将显著推动植物纤维在汽车复合材料领域的渗透率。

该研究与当前生物基材料替代石化材料的行业趋势一致。据MarketsandMarkets预测，天然纤维复合材料市场预计将从2025年的约60亿美元增长至2030年的约90亿美元，年复合增长率约7%。 （来源：C&EN）