碱处理时间对小豆蔻（Elettaria cardamomum）纤维素纤维结构和性能的影响

时间：2026年1月25日

来源：International Journal of Biological Macromolecules

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本研究以印度南部山区常见的香茅茎纤维为原料，采用5% NaOH溶液进行45、60、75分钟不同时间处理，分析其化学成分、结晶结构和热稳定性。结果表明，60分钟处理纤维的纤维素含量最高（71.91 wt%），热分解起始温度达251.2℃，且表面洁净度提升，适合作为低碳环保生物复合材料的增强剂。

印度金奈万达尔卢尔（Vandalur）B.S.阿卜杜勒·拉赫曼新月科技学院（B. S. Abdur Rahman Crescent Institute of Science and Technology），邮编600048

摘要

本研究探讨了从Elettaria cardamomum茎中提取的天然纤维的化学和热性能。这种植物在印度南部（泰米尔纳德邦和喀拉拉邦）的山区较为常见。将纤维用5%（w/v）的氢氧化钠（NaOH）进行不同时间的化学处理，处理时间分别为45分钟、60分钟和75分钟。处理后的样品通过化学成分分析、X射线衍射、热重分析、差热分析、傅里叶变换红外光谱和扫描电子显微镜进行了研究。在处理过的样品中，60分钟处理的样品表现出最佳性能，包括最高的纤维素含量（71.91 wt%）、显著的半纤维素（11.71 wt%）和木质素（14.38 wt%）去除率、较低的水分含量（8.65 wt%）以及较高的灰分含量（6.31 wt%）。结构分析表明其结晶度有所提高，这一结果得到了XRD和FTIR的验证。从热性能来看，60分钟处理的Elettaria cardamomum纤维具有更好的稳定性，纤维素的降解开始温度为251.2°C，峰值温度为455.8°C。扫描电子显微镜成像证实了表面杂质的有效去除。这些发现表明，60分钟处理的纤维是开发可持续、低碳足迹生物复合材料的理想候选材料。

引言

随着世界向更环保的解决方案迈进，对天然材料的需求显著增加，特别是在材料科学和刹车摩擦材料领域。天然纤维（NF）在纺织、交通、建筑和生物医学等多个行业中具有很高的价值[1]。天然纤维主要由纤维素、半纤维素、木质素、果胶和蜡组成。这些成分的排列和比例决定了纤维的机械、化学和热性能，从而影响了它们在不同应用中的表现。天然纤维的物理性能，如密度、抗拉强度、断裂伸长率和吸水率，在确定其适用性方面起着关键作用[2]。天然纤维的一个重要优点是它们的轻质特性，这使得它们在需要减轻重量的应用中非常受欢迎，例如汽车和航空航天行业[1]。可以通过化学方法对天然纤维进行改性以提升其在特定应用中的性能。最常见的改性方法之一是丝光处理，即用碱性溶液（通常是氢氧化钠）处理纤维[3]。这一过程通过重新排列纤维素链使其结构更加有序和结晶，从而增加纤维的表面积、改善其润湿性能并提高抗拉强度。在过去十年中，许多植物基纤维被研究并经过化学改性，以增强其界面结合力、微观结构完整性和性能特性[4]。例如Acacia caesia（树皮）[5]、Parthenium hysterophorus（茎）[6]、Tridax procumbens（茎）[7]和Catharanthus roseus（茎）等纤维，因其在表面改性后能提高热稳定性和机械强度而受到关注[8]。此外，Alfa grass [9]、Urena lobata [10]、Acacia leucophloea [11]和Kigelia africana（果实）[12]等草类和纤维类型也在增强生物复合材料的结构完整性和耐水性方面表现出良好的效果。

其他植物来源，如Curaua plant、Pinus species和Sansevieria zeylanica [13]、[14]、[15]，因其优良的纤维形态和纤维素含量而被利用。针对Pulicaria undulata和Pennisetum orientale grass [16]、[17]的研究表明，经过碱处理和酶处理后，它们的热性能和结晶度有显著改善。最近，Elettaria cardamomum（茎）因在印度南部易于获取以及经过适当碱处理后在复合材料中具有结构增强潜力而受到关注[18]。

从Hibiscus sabdariffa、Boehmeria nivea（苎麻）和Hibiscus canescens [7]、[20]中提取的纤维据报道具有高纤维素含量和良好的抗拉性能，适用于轻质复合材料的应用。农业废弃物，如Cocos nucifera L.（花序轴）、Cocos nucifera（佛手瓜）和Ficus macrocarpa（树皮）[21]、[22]，也被重新用于绿色材料开发，符合循环经济的原则。此外，不太为人所知的来源，如Portulaca quadrifida [23]、Pulicaria gnaphalodes [24]和甘蔗渣[25]，在增强天然纤维复合材料的化学和形态特性方面也显示出良好的潜力。

此外，Acacia planifrons、Mucuna atropurpurea和Coccinia grandis的树皮和茎纤维[26]、[27]、[28]也因其与聚合物基体的相容性、改善的粘附性和通过碱处理获得的优异表面改性效果而受到评估。这一不断增长的研究领域反映了人们致力于优化纤维处理方法，特别是碱处理方法，以改变纤维的微观结构、减少非纤维素成分（如半纤维素和木质素）并提高天然纤维的结晶度、耐水性和热稳定性。基于此，本研究聚焦于Elettaria cardamomum纤维，评估不同时间的NaOH处理对其化学、物理和形态性能的影响，旨在确定其作为可持续复合材料增强剂的潜力。然而，本研究主要关注Elettaria Cardamomum纤维在可降解复合材料、纺织工业、造纸生产、农业覆盖物和可持续材料中的潜在应用。ECF的表征显示其具有优异的结晶度、化学成分和耐热性组合，使其成为可持续生物复合材料的潜在候选材料。从现有文献来看，尚未有研究人员尝试对ECF进行碱处理。本研究旨在探讨碱处理对ECF的影响，以降低碳足迹。提取的ECF经过不同时间的化学处理（即45分钟、60分钟和75分钟），然后对其化学和热性能进行了表征和比较。后续部分将简要介绍纤维提取、碱处理和表征技术的过程。现有的关于碱处理天然纤维的研究主要集中在已建立的增强剂上，并通常采用固定或任意选择的处理条件，这限制了对时间依赖性结构演变和降解机制的理解。Elettaria cardamomum纤维是一种未被充分探索的木质纤维素资源，关于其化学改性和性能优化的报道有限。本研究系统地研究了NaOH处理时间（45分钟、60分钟和75分钟）对该纤维的结构、形态、热和机械性能的影响。通过将处理时间与性能变化相关联，本研究确定了最佳的碱暴露窗口，为可持续复合材料的合理工艺优化提供了依据[29]。尽管人们对基于天然纤维的复合材料兴趣日益增加，但对于常用的碱处理参数（如5% NaOH浓度和处理时间（45分钟、60分钟、75分钟）缺乏系统的理论依据。这些参数的选择往往没有考虑纤维的具体化学和结构特性[30]、[31]。尽管Elettaria cardamomum纤维具有潜力，但在这一领域仍缺乏深入研究。本研究通过评估固定5% NaOH浓度和不同处理时间的影响，确定了改善化学、热和形态性能的最佳条件，有助于标准化天然纤维的碱处理方案。

材料提取

Elettaria Cardamomum纤维是从喀拉拉邦伊杜基区（Idukki）的穆纳尔（Munnar）地区Elettaria Cardamomum植物的茎中提取的，该地区是卡达姆姆的丰富且可持续管理的种植区，如图1(a)所示。它属于Zingiberaceae家族中的姜科植物。这种植物的高度可达1.5至6米，主要分布在卡纳塔克邦、喀拉拉邦和泰米尔纳德邦的南部地区。虽然这种植物的种子在烹饪、油料和医药领域有广泛应用，但

化学成分分析

本分析探讨了氢氧化钠处理对ECF化学性能的影响。通过NaOH处理过程，碱破坏了ECF中的氢键结构，从而增加了5% ECF样品的表面粗糙度。这一过程直接改变了纤维的纤维化特性。表1列出了碱处理对5% ECF的影响。初步研究发现

结论

对碱处理过的ECF纤维的分析表明，EC60样品表现最佳，具有最高的纤维素含量（71.91 wt%），同时有效去除了半纤维素（11.71 wt%）和木质素（14.38 wt%）。这种平衡保持了纤维的基本品质，而EC75样品由于浸泡时间过长，导致纤维素和半纤维素含量下降。

CRediT作者贡献声明

贾维德·艾哈迈德博士（Md. Javeed Ahmed）：撰写——初稿、可视化、验证、研究、概念化。佩尔瓦兹·艾哈迈德（M. Pervaz Ahmed）：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、研究、概念化。卡西克·巴萨（K. Sathick Basha）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法论、研究、概念化。西德·夸迪尔·穆伊努丁（Syed Quadir Moinuddin）：撰写——初稿、方法论、研究、概念化。阿伦普拉萨特（K. Arunprasath）：撰写——审稿与编辑、方法论