《ACS Omega》：Eco-Friendly Board from Banana Trunk Residues with Poly(Vinyl Alcohol)/Boric Acid
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为解决对木材产品的需求增长和甲醛基粘合剂的环保问题，研究人员以香蕉树干为填料、聚乙烯醇/硼酸（PVA/BA）为粘合剂，制备了环保板材。研究表明，PVA/BA比例和填料/粘合剂比例显著影响板材的物理、机械和阻燃性能，最优配比（PVA/BA-1/2）的板材抗弯强度达48.06 MPa，极限氧指数（LOI）高达55，展现出优异的力学性能和阻燃性。该研究为利用农业废弃物生产高性能环保板材提供了新策略。
在全球人口增长和社会结构变化的推动下，对木材产品的需求持续增加，导致自然资源过度消耗。这不仅造成原材料短缺和成本上升，也引发了严重的环境问题。传统板材生产通常使用甲醛衍生的粘合剂，会释放有害物质，而木材资源的过度开采加剧了森林退化。因此，寻找可持续、环保的替代原材料和粘合剂成为迫切需求。农业废弃物，如果树残渣，因其富含纤维素、半纤维素和木质素，被视为潜在的生物质资源。其中，香蕉作为一种全球广泛种植的作物，每年产生大量树干残渣，通常被废弃或焚烧，未能得到有效利用。这些残渣含有高比例的纤维素（约58.5%）、半纤维素（约15.4%）和木质素（约13.2%），具有转化为高附加值材料的潜力。然而，如何将这些农业废弃物转化为具有良好性能的环保板材，同时避免使用有毒粘合剂，是当前研究面临的挑战。此外，提高板材的力学强度和阻燃性，以满足实际应用要求，也是关键问题。为此，一项发表于《ACS Omega》的研究探索了利用香蕉树干残渣与聚乙烯醇/硼酸（PVA/BA）粘合剂制备环保板材的新方法，旨在评估不同配比对板材性能的影响，为可持续材料开发提供新思路。
研究人员采用了几项关键技术方法开展研究。首先，以香蕉树干为填料，经切割、干燥和研磨处理后，与不同比例的PVA/BA粘合剂混合。粘合剂中PVA和BA单独溶解后混合，再与填料机械搅拌，倒入模具后在130°C、1吨压力下热压45分钟成型。其次，对制备的板材进行了系统的性能表征：通过密度分析、水吸收和厚度膨胀测试评估物理性能；利用三点弯曲试验测定机械强度（如最大应力和断裂模量MOR）；采用极限氧指数（LOI）分析评估阻燃性；通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析化学结构和相互作用；通过热重分析（TGA）研究热稳定性；并通过扫描电子显微镜（SEM）观察形貌结构。所有测试均按相关标准进行，以确保结果的可靠性。
物理性能分析
研究发现，板材的密度、水吸收和厚度膨胀特性受PVA/BA比例和填料/粘合剂（DM/B）比例显著影响。密度值在790–1770 kg/m3之间，通常随BA含量增加而增加，PVA/BA-1/2板材密度最高（1770 kg/m3）。水吸收测试显示，PVA/BA-1/3和PVA/BA-3/1板材在30分钟内解体，而PVA/BA-1/2和PVA/BA-2/1板材在24小时内保持结构完整，表明BA含量增加有助于降低水吸收和厚度膨胀。对于DM/B板材，DM/B-3/1和DM/B-6/1在60分钟内快速吸水并解体，而DM/B-4/1和DM/B-5/1表现出较好的耐水性，但随填料比例增加，厚度膨胀加剧。这些结果表明，粘合剂和填料的组成对板材的耐水性和尺寸稳定性有重要影响。
机械性能分析
三点弯曲试验表明，PVA/BA比例降低（即BA比例增加）通常提高机械强度，但PVA/BA-1/3板材的强度增加率较低。PVA/BA-1/2板材表现出最高的机械强度，最大力为0.1938 kN，最大应力（MOR）为48.06 MPa，比PVA/BA-3/1高88%。对于DM/B板材，DM/B-3/1的MOR最高（10.14 MPa），而DM/B-5/1和DM/B-6/1因粘合剂不足导致强度较低。力-位移关系图显示，PVA/BA-1/3、PVA/BA-2/1和PVA/BA-1/2板材呈脆性行为，其他板材则呈延性行为。总体上，板材密度与机械强度呈正相关，高密度板材由于颗粒结合更紧密，表现出更优的力学性能。
极限氧指数测试
LOI测试评估了板材的阻燃性能。对于不同PVA/BA比例的板材，LOI值随BA比例增加而升高，范围在30.5至55之间，其中PVA/BA-1/2板材的LOI值最高（55%）。对于DM/B板材，LOI值在32.5至53之间，随填料比例增加（即粘合剂比例减少）而降低，因为BA含量减少削弱了阻燃效果。所有板材在测试中均保持完整且未点燃，表明其在大气条件下具有优异的阻燃性，这主要归因于BA的添加增强了火焰抑制能力。
FTIR分析
FTIR光谱用于研究板材的结构特性和组分间相互作用。纯PVA在3100–3600 cm–1处显示羟基（O-H）伸缩振动峰，而BA在3200 cm–1处有特征峰。在PVA/BA混合物中，随BA比例增加，3100–3600 cm–1处的宽峰强度降低并向3200 cm–1移动，同时出现1335 cm–1处B-O键反对称振动等新峰，表明PVA与BA之间通过酯化或氢键形成相互作用。在香蕉树干板材的FTIR光谱中，除了香蕉树干本身的特征峰（如1740 cm–1处C=O伸缩振动），还出现了1260、1077、798和661 cm–1等新峰，这些峰对应于PVA结构中的CH2摆动振动和C-O伸缩振动，以及B-O-C不对称伸缩振动，证实了香蕉树干、PVA和BA之间存在化学相互作用，如氢键形成或酯化反应，这有助于改善板材的性能。
TGA分析
热重分析揭示了板材的热稳定性。板材的失重分为三个阶段：初始失重（约32–250°C）归因于吸收水分和低分子量挥发物的释放；第二阶段失重（250–300°C）与半纤维素和纤维素的热分解相关；第三阶段失重（约400°C）则对应于木质素降解和分解产物间的相互作用。DTG曲线显示，所有板材的分解峰温度相近（如278–410°C），表明PVA/BA的添加影响了香蕉树干生物质的热分解行为。DSC曲线在相应温度区出现吸热峰，证实了分解过程的吸热性质。总体而言，板材表现出渐进的降解过程，这与其较高的LOI值和阻燃性一致。
SEM分析
扫描电镜图像显示了板材的表面形貌。香蕉树干颗粒以不同尺寸分散，在热压过程中与PVA/BA粘合剂形成紧密结合结构。在PVA/BA-2/1、PVA/BA-1/1和PVA/BA-1/2板材中，香蕉树干颗粒被粘合剂完全包覆，无明显空隙或裂纹，这解释了其优异的机械性能和耐水性。相反，PVA/BA-3/1和PVA/BA-1/3板材表面存在空隙和裂纹，导致机械性能较差且在水中易解体。这些形貌特征与板材的物理和机械测试结果相互印证，表明良好的界面结合是高性能的关键。
研究结论表明，以香蕉树干为填料、PVA/BA为粘合剂可成功制备环保板材，其性能受PVA/BA比例和填料/粘合剂比例显著影响。最优配比（PVA/BA-1/2）的板材展现出高机械强度（48.06 MPa）和优异阻燃性（LOI=55），这归因于PVA与BA的酯化反应以及其与香蕉树干间的相互作用。FTIR和SEM分析证实了组分间的化学结合和良好形貌，TGA分析显示了渐进的热降解行为。该研究的意义在于，利用农业废弃物（香蕉树干）和环保粘合剂（PVA/BA，无甲醛排放）生产高性能板材，不仅降低了原材料成本，还促进可持续发展和资源循环利用。板材的增强力学和阻燃性能使其在建筑、包装等领域具有应用潜力，尤其适用于需要防火安全的场合。未来研究可进一步优化工艺，改善耐水性，并探索其他生物质资源的应用，以推动绿色材料技术的进步。
