java橄榄（Sterculia Foetida）纤维活性炭的形态学、化学、热学和力学特性，及其在可生物降解材料领域的可持续应用

《Results in Chemistry》：Morphological, chemical, thermal, and mechanical characteristics of Sterculia Foetida (Java-olive) fiber activated carbon for sustainable applications in biodegradable materials

　　斯里尼瓦萨·拉奥·佩达达 | R.S.S. 斯里坎斯·韦穆里 | 查·V·卡梅斯瓦拉·拉奥 | 斯里尼瓦萨·拉奥 | 戈拉加尼·卡里·拉瓦尼 | 马诺吉·库马尔·雷古拉加达 | 阿尼塔·库马里·莫西亚
印度韦萨卡帕特南女子工程学院盖亚特里维迪亚帕里沙德

**摘要**
在这篇研究论文中，通过控制热解和化学活化方法，使用H?PO?等活化剂在不同温度和浸渍比例下，从Sterculia foetida纤维合成了活性炭和生物炭。活化过程形成了由微孔和中孔组成的分层孔结构，显著提高了碳材料的比表面积和吸附性能。采用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）等手段对制备材料进行了全面的物理化学表征，以评估其结构、形态、元素和热性能。XRD结果证实形成了部分石墨化的非晶碳结构，而FTIR分析显示含有增强吸附行为的含氧官能团。SEM分析揭示了炭化及活化过程中形成的高度多孔表面，EDS则确认了碳为主成分，并含有少量氧和氮等杂原子。本研究的创新之处在于将Sterculia foetida纤维生物质转化为多功能碳材料，并结合先进的表征技术评估其结构演变和吸附潜力。此外，该研究还探讨了活化条件与孔结构发展之间的关系，这对优化生物质基碳材料的性能至关重要。这类材料在水净化、污染物吸附、能量存储装置和复合材料增强方面具有广泛应用前景。最近的研究表明，由Sterculia foetida制备的碳材料可用作超级电容器的电极以及废水处理中的染料吸附剂。

**1. 引言**
近年来， industrial development 迅速发展，提高了资源可用性和效率 [1], [2]，但这些进步也带来了严重的环境问题，如有毒排放和土地、空气及水污染 [3]。科学家们正在逐步探索天然纤维（NFs）和可再生能源作为化石产品的可持续替代品 [4]。天然纤维自古以来就被用于制造工具和衣物，如今作为更环保的人造材料替代品重新受到关注 [5]。与合成纤维相比，天然纤维具有许多优势，如生态友好性、低成本、轻质、高强度、耐热性、抗水性、非毒性以及可自然降解等特性 [6], [7]。随着对可持续建筑材料、航空航天材料和国防材料需求的增长，对新型纤维素（CL）纤维的研究也在增加。这些新一代纤维具备理想的增强复合材料性能的特性，符合环保发展的趋势 [8], [9]。天然纤维的主要成分是半纤维素（HCL）、木质素（LG）和蜡，对人体无害 [10]。大多数天然纤维来源于含纤维素的植物，例如黄麻、亚麻、苎麻、大麻、芦荟、菠萝、香蕉、竹子、剑麻和荨麻 [11]。自然界提供了丰富的可再生、环保资源，这些纤维在纺织和复合材料领域具有广泛的应用潜力。研究人员正努力利用每年可再生的木质纤维素纤维用于复合材料制备。全球每年消耗约一百万吨纤维 [13]。已经开发出使用黄麻纤维的复合材料，因其低成本、易获取性以及无污染的生产方式而成为木材的理想替代品 [14]。已有研究总结了各种非织造材料的制造方法、性能和应用 [15]，并探讨了黄麻非织造材料及其基复合材料的应用 [16]。本研究收集了Sterculia-foetida植物的叶柄废弃物，将其截切成不同长度（约37毫米和17毫米），用于制备环保型轻质透水混凝土，这种方法既能减少环境污染，又能为透水混凝土提供足够的强度和低密度。

**2. 实验方法**
2.1 **材料与方法**
2.1.1 **Sterculia-foetida果壳纤维的提取**
Sterculia-foetida材料取自印度韦萨卡帕特南安得拉大学植物学系的花园。纤维从树皮（韧皮纤维）或果实/种子结构中提取（见图2）。Sterculia-foetida属于木质纤维素生物质来源，主要通过小心去除外层树皮获得纤维（见图1）。提取方法如下：
- 将树皮切成小条（10–25厘米）；
- 将其浸入清洁水中（生物质与水的比例为1:25）；
- 在室温下浸泡7–15天；
- 用3–5%的NaOH溶液在50–80°C下处理1–3小时；
- 清洗至中性后去除树皮；
- 轻柔拍打或刮除树皮；
- 手动分离长纤维；
- 再次清洗以去除分解物质。

**2.2 **Sterculia-foetida果壳纤维复合材料的制备**
提取的Sterculia-foetida果壳纤维用于制备环氧树脂基复合材料。纤维被切成150毫米长。环氧树脂和相应的硬化剂由Sigma-Aldrich印度公司提供。使用不锈钢模具，模具内壁涂有一层硅胶溶液作为脱模剂。将环氧树脂与纤维按20:5的比例混合，并加入苯甲醇作为稀释剂，用机械搅拌器充分混合25分钟后进行手工铺层。复合材料在压缩成型机中于150°C和125 psi压力下固化1小时。

2.3 **复合材料的吸水率分析**
根据ASTM D570标准方法进行测试。样品被切割为5英寸×2英寸的尺寸，在75°C烘箱中干燥48小时，然后在干燥器中冷却10分钟，立即称量，随后浸入水中24小时，用布擦拭后再次称量。计算吸水率：
**吸水率% = (Wi ? Wf) / Wi × 100**
其中，Wi为样品初始重量，Wf为样品最终重量。

**3. 结果与讨论**
3.1 **Sterculia-foetida果壳纤维的化学组成与物理性能**
通过机械提取法获得了Sterculia-foetida果壳纤维的化学组成（见表1）。原始纤维主要由纤维素、半纤维素、木质素和提取物组成。其木质素含量约为14% [28]。纤维的拉伸强度为542.17 gf，断裂伸长率为4.11%，含水量为7.2–7.5%，水分回收率为4.9–3.4%。

3.2 **Sterculia-foetida纤维的热分析**
热分析反映了材料在分子水平上的分解反应 [29]，随温度变化而变化。取约20–30毫克样品放入Al2O3坩埚中，在氮气保护下以10°C/min的升温速率从室温27°C加热至600°C。记录重量随温度的变化（见图2和图3）。结果表明，150°C以下的重量下降主要是由于水分蒸发。随后是生物质的热降解过程：在155–169°C时木质素首先分解，接着是250–350°C时半纤维素分解，最终在375–450°C范围内因纤维素分解导致最大重量损失。Nunn等人也报道了类似的热行为 [33]。

**3.3 **不同炭化温度下复合材料性能的变化**
研究表明，木质素在低温（160–170°C）率先分解。对于碳化材料，降解温度高于原始颗粒，这是因为木质素转化为碳材料所致。高温炭化过程中各阶段的降解速率减弱。由于活化作用，碳含量增加，因此碳具有更高的热阻。这一点通过活性炭的DTG曲线得到证实。主要的DTG峰大约在320–330°C，代表了质量损失的最大速率，这是由于活化后残留的半纤维素和纤维素片段分解所致。200–280°C区域表现为逐渐的质量损失，这与脱水和挥发性有机化合物的去除有关。330–400°C区域，DTG曲线趋于平滑，表明形成了稳定的碳基质，并开始了芳香碳结构的发育。

4. 填充剂含量对Sterculia-foetida纤维壳颗粒复合材料拉伸性能的影响
图5(A)展示了不同填充剂含量（如原始炭黑和从Sterculia-foetida壳制备的活性炭黑颗粒）对复合材料拉伸强度的影响。从图中可以看出，随着填充剂含量的增加，复合材料的拉伸强度也随之增加。然而，当填充剂含量为15 wt%（原始炭黑）时，拉伸强度仅为4.367×10^8 Dyne/Cm^2，而纯环氧树脂的拉伸强度为21.43 MPa。随着填充剂含量的进一步增加，拉伸强度反而降低。还分别在不同炭化温度（400°C - 800°C）下测试了添加了从Sterculia-foetida壳颗粒制备的炭黑的复合材料的拉伸强度。结果发现，炭黑颗粒能够增强纯聚合物复合材料的强度。表2记录显示，在800°C炭化条件下，添加10 wt%炭黑的复合材料具有最佳强度59.61 MPa。与其它未活化的填充剂相比，添加活性炭黑的复合材料具有更高的拉伸强度。这可能是由于挥发性物质的去除、多孔结构的形成以及在炭化过程中碳含量的增加，从而形成了某些陶瓷碳化物（如碳化硅、碳化锌）。当填充剂含量超过10 wt%时，强度的下降可能是由于填充剂与基体之间的相互作用不良。

5. Sterculia-foetida壳活性炭及原始炭黑壳颗粒复合材料的拉伸模量
图5(B&C)展示了Sterculia-foetida活性炭和原始炭黑壳颗粒复合材料的拉伸模量曲线。可以清楚地观察到，原始炭黑和活性炭的拉伸模量都有所不同（见表3、表4、表5、表6、表7）。

6. Sterculia-foetida活性炭颗粒复合材料的机械性能
- **表2. Sterculia-foetida活性炭颗粒复合材料的机械性能**
| 复合材料 | 填充剂（wt%） | 拉伸强度（MPa） | 弯曲强度（MPa） | 拉伸模量（GPa） | 弯曲模量（GPa） | 硬度（Hv） |
|-------|-----------|-----------|-----------|------------|-----------|-----------|
| 环氧树脂 | 0 | 21.43 | 43.59 | 0.68 | 0.79 | 20.42 |
| 原始炭黑 | 5 | 28.62 | 55.27 | 0.87 | 1.43 | 24.52 |
| 10%填充剂 | 35.63 | 69.09 | 1.46 | 2.31 | 15 | 33.67 |
| 15%填充剂 | 43.67 | 75.17 | 1.70 | 2.70 | 28.54 |
| 20%填充剂 | 39.85 | 67.19 | 1.64 | 2.52 | 24.66 |
| 25%填充剂 | 53.67 | 64.05 | 1.71 | 1.49 | 24.32 |
| 30%填充剂 | 55.67 | 74.77 | 1.69 | 2.60 | 26.59 |
| 35%填充剂 | 52.38 | 93.07 | 2.58 | 2.84 | 26.59 |
| 40%填充剂 | 55.59 | 82.34 | 2.42 | 2.74 | 23.37 |
| 45%填充剂 | 53.28 | 73.57 | 1.97 | 2.80 | 23.27 |
| 50%填充剂 | 50.25 | 59.54 | 2.65 | 2.69 | 25.19 |
| 55%填充剂 | 52.38 | 80.45 | 2.78 | 2.52 | 24.97 |
| 60%填充剂 | 52.75 | 83.49 | 2.69 | 2.51 | 25.38 |

7. **Sterculia-foetida活性炭颗粒的典型XRD特征衍射峰**
- **表3. Sterculia-foetida原始炭黑的典型XRD特征衍射峰**
| 2θ (°) | 平面（纤维素） | 结构归属 |
|-------|---------|--------|
| 14–16° | (1010) | 晶态纤维素 |
| 16–18° | (110) | 纤维素 |
| 22–23° | (200) | 主要结晶峰 |
| 34–35° | (004) | 高阶反射 |
| 18–21° | – | 非晶态木质素/半纤维素 |
- **表4. Sterculia-foetida活性炭的典型XRD特征衍射峰**
| 2θ (°) | 平面 | 结构归属 |
|-------|---------|---------|
| 22–26° | (002) | 石墨层堆叠 |
| 42–45° | (100)/ (101) | 平面芳香有序 |
| 15–20° | – | 残余非晶态碳 |
| >50° | – | 微量矿物残留 |

8. **Sterculia-foetida纤维壳复合材料的傅里叶变换光谱（FTIR）**
- **表6. Sterculia-foetida纤维壳复合材料的吸收频率（cm^-1）**
| 吸收频率（cm^-1） | 波数（cm^-1） | 附件 |
|---------|------------|---------|-------------|
| 空细胞 | | |
| 原始炭黑 | 3390 | |
| 活性炭 | 3400 | O-H对称伸缩 |
| | 3400–3600 | O–H非对称伸缩 |
| | 3529–3600 | C–H伸缩 |
| | 2256 | CH2对称伸缩 |
| | 1641 | C–O伸缩 |
| | 896 | C–C伸缩 |
| | 1040–1090 | 磷反对称伸缩 |
| | 1125–1235 | P反对称伸缩 |
- **表7. FTIR- Sterculia-foetida纤维壳复合材料的观察到的光谱带和功能基团**
| 波数（cm^-1） | 功能基团 | 结构含义 |
|---------|-----------|----------------|-------------------------|此外，在2θ ≈ 42–45°附近可能会出现一个较弱且宽的峰，这对应于涡轮层状碳的(100)平面，表明存在小且组织不规则的芳香碳层。这些衍射图案证实，未经活化的Sterculia foetida壳产生的碳具有低结晶度和高度无序的微观结构，这有利于进一步的活化过程，以开发微孔结构并增加表面积，用于吸附、过滤和储能材料等应用。4.4. H?PO?活化碳的典型XRD图案在磷酸（H?PO?）存在下，从Sterculia foetida壳制备的活性炭的XRD分析通常显示出一个宽的衍射峰，位于2θ ≈ 23–26°，对应于无定形碳的(002)平面。与原始碳相比，该峰变得更宽且强度更低，表明H?PO?的活化过程促进了高度无序和多孔碳结构的发展。磷酸作为一种脱水和交联剂，在热处理过程中增强了纤维素、半纤维素和木质素等木质纤维素成分的分解。这一过程导致芳香碳层以涡轮层状排列，从而形成主要无定形的碳。在2θ ≈ 42–44°附近也可能出现一个较弱且宽的峰，对应于(100)平面，表明碳基质中存在短程有序的石墨微域。缺乏尖锐的[50]峰证实H?PO?活化碳具有高度无序的结构，层间距扩大，这对开发微孔和中孔是有益的。这样的结构特征有助于提高表面积、改善孔体积和增强吸附能力，使活性炭适用于水净化、气体吸附、催化和电化学储能系统。4.5. 特征性衍射峰表明Sterculia-foetida炭黑颗粒含有类似石墨的微晶颗粒，这些颗粒以涡轮层状排列，如Emmerich等人[51]所建议的。图8(B)显示了在不同碳化温度400°-800°C下制备的Sterculia-foetida纤维壳颗粒的炭黑和活性炭黑的(002)和(100)衍射轮廓的变化。这些炭黑的相对结构有序性不仅通过最有利的晶格参数[52]来评估，还通过炭化温度升高时线条向石墨特征值的环形移动来评估。这一结果表明，随着碳化温度的升高，Sterculia-foetida纤维壳颗粒的碳原子从不规则排列重新排列为有序排列，结晶结构[53][54]显著改善，同时颗粒的无定形空腔减少。此外，在炭黑颗粒中还存在SiO2、Al2O3、MgO的小峰。在800°C活化温度下用H3PO4化学活化剂活化原始Sterculia-foetida壳颗粒后，图8(B)中显示出两个宽峰，分别为2θ = 22°和43°，对应于石墨的峰[55]。从图中可以清楚地观察到，经过活化后这两个峰变得更宽，并且该相中存在碳和二氧化硅。Kumar等人在他们的研究工作中也发现了类似的观察结果[56]。结果表明，在每个碳化温度下，这两个峰逐渐变尖并向结晶度方向移动。具有宽峰且缺乏尖锐峰的活性炭样品显示出主要为无定形结构，这对于具有良好定义的多孔吸附剂是有利的[57]。所有样品在22°-24°附近发现的宽峰证实样品是非石墨化的，可能具有高的微孔结构[58]。这也对应于二氧化硅和碳的存在，从而确认了碳颗粒中存在无定形的SiO2。此外，炭黑颗粒的碳强度逐渐增加。在2θ = 24°处的宽峰对应于二氧化硅的存在，从而确认了活性炭中存在无定形的SiO2。在所有情况下，随着碳化温度的升高，碳和活性炭黑样品的相对强度和衍射峰逐渐增加，如图8(B)所示。由于杂质的去除，衍射峰的强度也增加。随着碳化温度的升高，观察到两个宽峰(002)和(97)，并缓慢向石墨区域移动。活性炭黑颗粒显示出比其他未活化颗粒更宽且更尖锐的峰。一些峰表明存在SiO2，其他小峰表明存在碳元素。4.6. 使用FTIR光谱进行功能团分析。4.6.1. Sterculia-foetida纤维壳颗粒的FTIR分析Sterculia-foetida果壳纤维的傅里叶变换光谱如图9A和B所示，在3390至3400 cm?1区域有一个宽带，可以认为是纤维素分子的OH伸缩振动。在原始Sterculia foetida纤维中，功能团的频率可能分配如下（表-6-7）：3400–3300 cm?1处为α-纤维素的OH伸缩，2930 cm?1为CH stretch，2256 cm?1为CH2对称伸缩，1641 cm?1为吸附的OH水，926 cm?1为β-糖苷键，1249 cm?1为CO stretch，1040–1154 cm?1为磷酸盐基团的反对称伸缩模式，1047 cm?1和1249 cm?1为酚类化合物（木质素）的CO stretch，1610 cm?1为[60]芳香基团中的C-C伸缩振动（Teli和Pandit，2018b）。观察到的带和功能团。4.7. 表面积分析（BET）和平均粒径在600°C较高温度下提取的活性炭具有较高的表面积（2.594 × 10^7 cm^2/g）和总孔体积（1.67 cm^3/g）。在H3PO4活化作用下，Sterculia foetida壳衍生的活性炭的总孔体积通常在1.2–1.8 cm^3/g范围内，取决于活化温度、浸渍比和碳化条件。在许多涉及磷酸活化木质纤维素生物质的实验研究中，较高温度（约700–800°C）下获得的活性炭显示出高度发展的多孔结构，总孔体积约为1.7–1.8 cm^3/g。H3PO4的存在促进了碳化过程中的脱水和交联反应，防止了结构崩塌，并促进了碳基质中微孔和中孔的形成。因此，从Sterculia foetida壳衍生的活性炭表现出较大的孔体积和高表面积。随着热解温度的升高，微孔体积（1.96 cm^3/g）逐渐减小，因为微孔逐渐合并成中孔和大孔。下面显示了磷酸（H3PO4）活化过程中的典型趋势。热解温度（°C） 微孔体积（cm^3/g）400°C 1.96 500°C 1.82 600°C 1.67 700°C 1.51 800°C 1.36 BET表面积是计算活性炭吸附能力的参数之一。较高的表面积意味着更多的表面可用于吸附，因此具有更好的吸附能力。Sterculia-foeitede壳基原始碳和活性炭颗粒的BET表面积和孔体积分别在表8中确定并显示。表8. Sterculia-foeitede活性炭复合材料的BET表面积。表8. BET表面积、Sμ（微孔表面积）、Sm（中孔表面积）、VT（总孔体积）、Vμ（微孔体积）、Vm（中孔体积）、Vμ%/VT（%）、Sμ/SBET（%）、Dp（平均直径）。当热解温度为400°C时，热解反应刚刚开始，因此产生的BET表面积和总体积很小。这是由于热量不足，无法驱除大量挥发物。随着碳化温度从600°C升至800°C，H3PO4在热解过程中逐渐释放出更多的挥发性物质，从而形成了一些新的孔隙度，因此材料的BET表面积和总体积（Vtot）增加，而颗粒的平均直径减小。根据热解结果，Sterculia-foetide纤维壳中的半纤维素、纤维素和木质素会发生脱水、键断裂反应、残留碳的结构有序化过程，最终发生聚合[62]。随着碳化温度的升高，聚合反应会加深，样品的直径逐渐减小，微孔样品会发展，从而导致活性炭的BET表面积和微孔总体积的增加。例如，在800°C下从Sterculia-foetide壳获得的炭黑的BET表面积为2745 m^2/g，显示出初步的孔结构。因此，较高温度下的炭黑具有产生具有更高吸附能力的活性炭的更大潜力。另一方面，观察到在原始Sterculia-foetide纤维壳颗粒进行化学活化后，BET表面积和总体积随着平均直径的减小而急剧增加，与不同碳化温度下的炭黑颗粒的表面积相比[63][64]，最终进入纳米范围。这表明更多的先前无法访问的孔隙被打开，并且在活化过程中原始颗粒与水合剂之间的化学反应产生了新的孔隙。结果，从原始Sterculia-foetide纤维壳颗粒制备的活性炭的BET表面积、总体积和平均直径分别为2745 m^2/g、1.68 cm^3/g和2.67 nm，活化条件为H3PO4浸渍比3:2（wt/wt），活化温度为800°C。5. 工业规模提取Sterculia foetida纤维面临的挑战从Sterculia foetida提取纤维面临多个技术、经济和物流挑战，这些挑战限制了其广泛的商业化。其中一个主要挑战是缺乏标准化的提取技术，因为大多数当前的研究都是在实验室规模上使用手动或半机械化的浸渍和机械分离过程进行的。将这些方法扩展到工业规模需要专用机械，能够在不损坏纤维结构或降低其机械性能的情况下有效分离纤维。另一个重要问题是原材料质量的变化，因为Sterculia foetida的纤维产量和组成取决于植物年龄、地理位置、气候条件和收获季节等因素。这种变化会影响纤维性能的一致性，这对于复合材料增强或碳材料生产等工业应用至关重要。此外，高效的浸渍过程（水浸、化学或酶法）仍然是一个挑战，因为传统的浸渍方法耗时较长，并且可能由于微生物降解而产生不良气味和环境污染。从经济角度来看，处理基础设施和纤维提取设备的高初始投资对考虑大规模采用的行业构成了障碍。大宗生物质材料的运输和储存也增加了运营成本。此外，与黄麻、剑麻或椰壳纤维等已建立的天然纤维相比，Sterculia foetida生物质的认识和供应链开发有限，这限制了市场可用性和商业兴趣。另一个挑战是需要有效的纤维处理和纯化过程，包括碱处理、漂白和干燥，以提高纤维质量和与聚合物基质的兼容性或碳化过程。环境考虑也很重要，因为工业提取必须确保可持续的生物质收获和环保的处理方法，以避免森林砍伐或生态失衡。因此，克服这些挑战需要开发先进的机械化提取技术、优化的预处理过程、可持续的收获实践和综合的生物质利用策略，以使Sterculia foetida纤维提取在工业规模上经济可行且环境可持续。从实验室到工业规模的Sterculia-foetida纤维提取引入了多个技术、经济、环境和表征挑战；季节性可用性、树皮厚度和纤维含量的变化、水分含量波动、供应链不一致性。技术问题：大规模水浸需要：大量的水资源消耗、长时间的加工（7–14天）。环境问题：高COD/BOD废水、磷酸盐污染、固体污泥处理和储存问题。工业障碍：干燥的高能量需求、潮湿气候下的水分再吸收、储存过程中的真菌生长。结构表征（XRD、FTIR、SEM）问题：批次之间的结构变化、结晶度指数不一致、纤维素/木质素比例的变化、表面化学不一致性。**机械性能测试**
- 抗拉强度的变化
- 直径不规则性
- 纤维取向不均匀
- 缺乏标准的测试协议

**Surface & Porosity Analysis（如果用于活性炭）**
- BET比表面积的变异性
- 孔径分布的不一致性
- 残余矿物含量的变化

**经济与商业挑战**

**5.1. 具体应用**
由于其轻质结构、良好的机械强度和高比表面积，Sterculia foetida纤维增强复合材料及其衍生的活性炭在工程和环境领域有多种具体应用：**
- 在汽车工业中，可以利用Sterculia foetida纤维增强聚合物复合材料制造内门板、仪表板部件、座椅背板和行李箱衬里，这些部件需要轻质和环保材料以提高燃油效率。
- 在建筑领域，这些纤维可以用于纤维增强水泥板、隔墙板和保温材料，从而提高抗裂性并减轻结构重量。
- 当转化为活性炭并整合到复合基材中时，该材料可用于水净化系统，例如吸附过滤器，以去除工业废水中的染料、重金属和有机污染物（特别是在纺织和化学工业中）。
- Sterculia foetida衍生的活性炭具有高孔隙率，也适合作为超级电容器和储能设备中的电极材料，因为这些应用需要较大的表面积和导电性。
- 含Sterculia foetida碳材料的复合基材还可用于空气净化过滤器、气体吸附系统以及防护过滤装置，以去除挥发性有机化合物（VOCs）和有毒气体。
- 在环境修复方面，由于其多孔碳结构和吸附能力，这些材料可用于油污吸附和土壤污染物去除。

**应用-特征分析**

| 应用领域 | 主要特征分析方法 |
|--------|------------------------|
| 汽车复合材料 | 抗拉强度、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD） |
| 土工织物 | 含水量、热重分析（TGA） |
| 活性炭 | BET比表面积、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）|
| 生物聚合物增强 | 傅里叶变换红外光谱（FTIR）、结晶度分析 |
| 保温板 | 热导率 |
| 造纸工业 | 纤维素含量百分比、纤维长度 |

**6. 结论与未来展望**
- 为了开发可扩展的Sterculia foetida纤维提取工艺，研究表明机械去皮结合受控化学浸渍（碱性或温和酸处理）适用于工业化生产。工艺优化减少了浸渍时间并提高了纤维分离效率。然而，水消耗、废水管理和原材料变异性仍是规模扩大的关键限制因素。实施闭环水资源回收和标准化预处理协议对于商业可行性至关重要。
- X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）可用于评估结构性能：XRD分析确认了半结晶纤维素结构，其特征衍射峰与纤维素相符；FTIR谱图显示存在羟基（–OH）、羰基（CO）和木质纤维素官能团，证实了天然纤维成分；SEM显微图显示粗糙的表面形态有利于复合材料中的基材粘合。工业化批次中的结晶度指数变化较小，表明需要严格控制工艺以确保一致性。
- 抗拉强度和杨氏模量表明Sterculia foetida纤维适用于中等载荷的复合材料增强应用。热重分析显示其热稳定性高达约250–300°C，使其与热固性和某些热塑性基材兼容。吸湿行为强调了复合材料制造前表面改性的重要性。
- 基于物理化学和机械特性分析，提取的纤维在以下领域具有巨大潜力：
- 汽车内饰复合板
- 生物降解包装板
- 土工织物和侵蚀控制垫
- 声学和保温材料
- 活性炭前体材料
- 但工业化实施需要：
- 纤维尺寸的标准化
- 高效的废水处理系统
- 与传统纤维（黄麻/椰壳纤维）相比的成本优化

- 从可持续性和环境影响的角度看，该纤维提取工艺符合可持续材料开发目标，因为它利用了可再生生物质。然而，大规模化学浸渍可能会带来环境负担，除非采用环保处理和废水回收技术。建议在商业化之前进行生命周期评估。
- Sterculia foetida纤维的工业化提取和特征分析证明了其作为可持续木质纤维素增强材料的可行性。结构（XRD、FTIR）、形态（SEM）和机械分析证实其半结晶纤维素框架、适当的抗拉性能和热稳定性，适用于复合材料和工业应用。尽管前景看好，但成功商业化取决于工艺标准化、环境管理和经济竞争力。通过优化工业化工艺，Sterculia foetida纤维有望成为绿色材料工程中的有价值替代天然纤维。

**碳复合材料的原子比（H/C：0.09–0.05；O/C：0.52–0.07）表明其高度碳化且疏水**
- FTIR分析显示，随着热解温度的升高，焦化过程显著去除了活性炭中的极性和酸性官能团。
- 表面积（2.594 × 10^7 cm^2/g）和总孔体积（1.67 cm^3/g）较高的活性炭在600°C下获得，表明随着热解温度的升高，活性炭样品中的微孔逐渐减少。
- 从活性炭的特性分析来看，600°C是实现最大比表面积、总孔体积和较高碳质量分数的最佳热解温度。生物质组成和热解温度对活性炭的产率和形态及物理化学特性有很大影响。
- 原始、碳化和活性炭的元素分析表明，原始Sterculia foetida纤维壳颗粒含有较高的纤维素和木质素含量，因此可能生产出微孔率更高的活性炭。经过800°C化学活化后，原始颗粒的固定碳百分比从19.11%增加到94.5%。
- XRD研究显示，Sterculia foetida基活性炭的主要成分是石墨和非晶碳。Sterculia foetida纤维壳活性炭的表面官能团通常呈中性（或微酸性），这解释了其对酸碱气体吸附能力的依赖性与活性炭微观结构的关系。XRD分析还发现，与相同热解温度下的羽扇豆茎活性炭相比，竹子来源的活性炭中含有更多的无机化合物（如方解石、石英以及Mg、Ca和Mn的硅酸盐）。
- 原始、碳化和活性炭的热重曲线显示，150°C以下的重量损失主要是由于材料中的水分蒸发。经过活化后，碳含量增加，从而提高了材料的隔热性能（热阻）。
- 碳化温度对孔结构有很大影响：随着碳化温度的升高，更多挥发物释放，微孔增多，碳颗粒的BET比表面积和总孔体积增大，同时碳颗粒半径减小。
- 扫描电子显微镜图像显示，原始碳黑和活性炭表面的孔分布不同：原始材料表面无明显孔隙，而活性炭表面有明显孔隙。SEM分析表明，原始Sterculia foetida纤维壳的粒径为2.5 μm，活性炭的粒径为97纳米。
- 活化处理提高了复合材料的强度，并减少了材料内部的空隙（孔隙含量）。Sterculia foetida碳黑和活性炭的弯曲强度及抗拉强度结果显示，该复合材料具有最高的强度、模量和硬度。

**CRediT作者贡献声明**
Srinivasa Rao Pedada：撰写初稿、方法论设计、实验研究及概念构思。