综述：回收过程对天然纤维复合材料力学和热学性能影响的综述

《Green Technologies and Sustainability》：An overview of the effect of recycling processes on the mechanical and thermal properties of natural fiber composites

本综述系统评价了天然纤维复合材料在多次回收循环下的可回收性，重点关注拉伸强度、弹性模量、降解温度（TGA）和熔融行为（DSC）。研究表明，以亚麻/PP-g-MA（马来酸酐接枝聚丙烯）为代表的复合材料在多次循环后仍能保持较高的力学性能，而PLA（聚乳酸）基体系降解更快。文章深入探讨了纤维磨损、聚合物链断裂和界面结合减弱等关键降解机制，指出3-5次回收循环是维持性能的实用阈值。这些发现为包装、汽车内饰和建筑等领域的可持续材料开发提供了科学依据，并强调了相容剂和纤维处理在提升复合材料循环寿命中的核心作用。

　　

塑料污染和农业废弃物带来的日益严峻的环境挑战，加速了人们对支持循环经济框架的可持续复合材料的研究兴趣。这篇综述批判性地评估了天然纤维复合材料的可回收性，重点关注其在多次回收循环后拉伸强度、弹性模量、降解温度（T_d）和熔融行为的变化。

引言：挑战与机遇并存

全球对塑料污染和农业废弃物的环境担忧，加强了对可持续材料替代品的兴趣。天然纤维增强热塑性复合材料因其可生物降解性、成本效益以及良好的力学和热性能而成为有前途的候选材料。这些复合材料将亚麻、木粉、甘蔗渣、大麻和稻壳等各种木质纤维素纤维融入聚丙烯（PP）、聚乳酸（PLA）和聚酰胺等基体中，为减少环境影响同时支持循环经济倡议提供了潜在的解决方案。理解重复回收如何影响这些材料的力学和热性能，对于评估其长期生存能力及指导其在包装、汽车、建筑和消费品等领域的应用至关重要。

以马来西亚为例，该国每年产生大量塑料废物和约77万吨稻壳，不恰当的处置方法造成了严重的环境和资源浪费。将稻壳融入回收聚丙烯（RPP）中形成稻壳增强回收聚丙烯（RH-RPP）复合材料，为同时处理塑料和农业废物流提供了一种有前景的可持续方法。这项工作也直接支持了联合国可持续发展目标（UNSDGs），特别是SDG 12（负责任消费和生产）、SDG 9（产业、创新和基础设施）和SDG 13（气候行动）。

回收过程对天然纤维复合材料拉伸性能的影响

天然纤维热塑性复合材料的多次熔融/再加工循环不可避免地会降解聚合物和纤维两相。每次加热/剪切步骤都会引发聚合物链断裂（来自热氧化降解），从而降低分子量和结晶度。天然纤维本身（如木材、剑麻、大麻、稻壳等纤维素材料）会发生机械磨损和一定程度的热降解：纤维随着每次加工而变短、原纤化更严重。例如，一项对木纤维/PP复合材料的研究发现，经过八次挤出后，平均纤维长度从约2.36毫米降至约0.37毫米，同时强度和刚度线性下降。与此同时，任何偶联剂（例如马来酸酐接枝PP）开始降解，进一步削弱纤维-基体界面。

与这些机制一致，大多数研究报告称，重复回收后拉伸强度和模量下降。例如，Zhao等人指出，复合材料可耐受约4-6次再加工循环，但到第七次循环时，天然纤维/热塑性复合材料的拉伸强度通常下降约17%（模量下降约28%）。Paukszta及其同事同样观察到，随着纤维在每个循环中变短和受损，其增强能力消失，最终强度下降。在实践中，与木粉、剑麻、大麻甚至稻壳混合的回收HDPE或PP通常在第一个循环中表现出适度的硬化（更好的混合），但此后刚度和强度持续下降。

具体数据揭示了不同材料体系的差异。如图1所示，在多次回收迭代中，天然纤维复合材料的力学性能趋势各异。例如，49%亚麻+PP-g-MA的复合材料在七次循环后仍能将拉伸强度保持在26.4 MPa以上，而50%木粉+PP的复合材料则在六次循环后从约27.5 MPa下降至约25 MPa，降幅约9.1%。弹性模量的变化则有所不同，如图2所示，35%亚麻+ Elium的复合材料在五次循环后模量从5400 MPa显著增加至7100 MPa，增幅约31.5%，表明其刚度在重复加工中可能因后固化或增强的基体-纤维相互作用而提高。

总体而言，对比分析证实，三到五次回收循环代表了大多数天然纤维复合材料保持可接受力学性能的实用阈值。超过此范围，纤维磨损、聚合物链断裂和界面弱化占主导地位，导致拉伸强度和模量显著降低。这些发现直接支持了本研究的目标，即确定能够实现可持续多周期再利用的纤维-基体组合和相容剂策略。

回收过程对天然纤维复合材料降解温度的影响

重复的热和机械回收会导致天然纤维复合材料中聚合物显著降解。每次挤出/注射循环都会使基体经受热量和剪切，导致链断裂和热氧化损伤。例如，已知重复加工聚丙烯（PP）会切断聚合物链并降低热稳定性，其熔点、粘度和结晶度都随着每个循环而下降。同样，复合材料中的聚乳酸（PLA）随着反复熔融导致分子量下降而变黄变脆。纤维本身也对热敏感：天然木质纤维素纤维仅能耐受适度的热量（通常低于约200–230°C）。加热超过纤维分解阈值会使半纤维素和纤维素分解，释放挥发物。

表4. 不同回收循环次数对不同天然纤维增强热塑性塑料降解温度的影响。

序号纤维基体循环次数工艺残炭率(%)关于降解温度(°C)的说明参考文献

140% 稻壳60% 聚丙烯4注塑<15尽管热完整性略有损失，但材料仍可回收多达四次，且具有可接受的热降解行为，与可持续性目标非常吻合。[63]

250 wt% 木粉47 wt% HDPE (3 wt% MAPE)6注塑0数值从原始样品的253.30 °C增加到第6次循环的279.58 °C，总增幅约为10.4%。[48]

530% 剑麻纤维70% 聚乳酸 (PLA)8注塑<5主要热降解发生在260 °C至365 °C之间，主要是由于PLA和纤维素的分解，热稳定性在第三次回收循环后下降。[66]

数据表明，聚丙烯基复合材料通常比PLA基体系保持更高的热弹性。例如，稻壳/PP复合材料在四次循环内仍可回收，且热稳定性可接受，而PLA/剑麻复合材料在三次循环后表现出明显的恶化。这种差异与PLA相比PP具有更低的降解阈值一致，强调了基体选择在决定可回收性限度方面的重要性。

数据还表明，相容剂和无机填料在稳定热性能方面起着至关重要的作用。例如，稻壳生物炭已被证明可以提高回收HDPE复合材料的热稳定性，而经碱处理的甘蔗渣纤维将PP的稳定性提高了约39°C。这些发现强调，热降解不仅仅是循环次数的函数，而且受到纤维处理和基体化学性质的强烈影响。

总的来说，比较分析表明，只要使用相容剂或稳定填料，大多数天然纤维复合材料可以回收三到六次而不会出现显著的热降解。这一见解直接符合本研究评估可回收性阈值和确定延长生物复合材料热耐久性策略的目标。

回收过程对天然纤维复合材料熔点的影响

天然纤维复合材料的多次熔融回收对聚合物熔融转变的影响最小。差示扫描量热法（DSC）研究通常发现，聚合物基体的主熔融峰在几次循环后基本保持不变。例如，Pathak等人观察到等规聚丙烯（iPP）在两次机械回收前后均在约167°C熔化。同样，Correa Aguirre等人发现甘蔗渣填充的PP在五次挤出、注塑循环中在约163–165°C熔化。相容剂或高纤维负载量仅引起微小的变化。

虽然熔融峰几乎不变，但DSC清楚地显示了其他变化：纤维诱导的成核和链降解提高了结晶温度（T_c）和整体结晶度。天然纤维充当成核位点，使聚合物的结晶放热峰向上移动。例如，甘蔗渣纤维使PP的结晶温度提高了约3–7°C。同样，添加短纤维素纤维通常仅使T_m发生±1–2°C的变化，但显著提高了结晶度百分比。一项研究发现，野生高粱纤维在回收PP中略微降低了熔融温度，同时显著提高了结晶度，另一项研究发现20 wt%的大麻使PP的结晶度提高了约8.8%。

机械再加工本身也会提高结晶度：Pathak等人报告，经过两个循环后，PP的结晶度从约60.3%上升到约61.3%，因为链断裂产生了更容易重结晶的更具流动性的链段。实际上，这意味着重复回收使聚合物的熔融峰保持不变，而DSC记录了更尖锐或更高的T_c以及更大的ΔH_f（更高的表观X_c），这源于增强的成核作用和更低的分子量。简而言之，天然纤维热塑性复合材料的多次回收会产生不变的熔融峰，但结晶有序度增加，反映了更强的纤维、基体成核作用和链降解。

结论与展望

本综述通过综合分析约80项近期研究（2015-2025），系统阐述了多次回收循环对天然纤维复合材料力学和热性能的影响。研究确定了性能阈值，突出了工业应用，并概述了对马来西亚及全球的可持续性影响。

关键结论表明，尽管存在性能损失，但许多复合材料在低至中等载荷应用（如包装、汽车内饰和消费品）中仍能保持可接受的性能。亚麻/PP-g-MA等复合材料在五次循环后仍能保持高达85%的拉伸强度，而PLA基体系则降解更快。热评估显示，经过3-5次循环后，起始降解温度降低5-10°C，而熔点保持稳定在±2°C以内。

这些发现强调了天然纤维复合材料在多个循环中被有效再利用的潜力，为可持续材料开发和废物价值化提供了可行的途径。为了实现这一潜力，需要继续优化纤维-基体组合、开发更有效的相容剂系统，并建立标准化的回收协议。未来的研究应侧重于了解长期环境老化对回收复合材料性能的影响，并探索将回收的天然纤维复合材料整合到更大规模工业应用中的经济可行性。通过解决这些挑战，天然纤维复合材料可以在向循环生物经济转型中发挥关键作用，将废物减少与工业适用性结合起来。