木材-无机纳米增强相复合体系中纳米刚性粒子弥散强化机制研究

Because of inorganic nano-particles' unique properties , they can be composited with wood components to form a serial of wood/inorganic nano-composite (material) system, which can obtain high strength, toughness, stiffness, and even flame retardant, antimicrobial self-cleaning, anti-aging and other excellent properties; and the dispersed compound effects with wood active groups in the system mostly are the key to realize the above properties of the nano-rigid-particles composite system. This project, will do researches on study nano-particles' dispersion process and the compatibility in the system by electron microscopies and SAXS, combined with DMA for the interface characteristics, reveal the dispersion, process ,such as " diffusion transfer ", " splash " ,and the mechanism to form system's interfaces。Pre-research:to imulate nano-particles' thermal dynamics and molecular dynamics, setup the nano-particles' disperse kinetics model based on MATLAB language; and the composite system's interface structure and interfacial chemical structure changes by FTIR; through the interface design at microzones and the optimization method to the interfaces, the system dispersion strengthening effect will be increased significantly; and basing on the characteristics of wood's capillary system dual structure and chemical compositions by electron microscope, energy spectrum and spectrum technology, basing on the analysis of nano-particle dispersion strengthening effect and dual-components coordination compound effect, and all those researches will provide the foudation to announce the rigid nano-particles' dispersion strengthening mechanism to wood components.

无机纳米粒子因其自身独特的性质，与木材组分复合形成木材-无机纳米复合材料，可获高的强度、韧性、刚度，以及阻燃、抑菌自洁、抗老化等优异性能；而复合体系中纳米粒子对木材组分弥散复合的效应是实现这些性能的关键。本项目拟用电镜和小角X射线散射分析纳米刚性粒子的弥散分布过程和相容性，阐明其"弥散迁移"、"微飞溅"等弥散行为、过程及其构建体系界面的机制。前期预研：引入动态热力学分析等研究界面特征、实现纳米粒子热动力学及分子动力学模拟，建立其基于MATLAB的纳米粒子弥散动力学模型；通过傅立叶红外光谱等深入研究体系的界面结构、界面化学结构变化；用界面微区设计与优化技术，获得显著提高体系弥散强化效应的方法；针对木材双重毛细管系统结构及其组分化学构成特点，借助电镜、能谱和频谱等技术，分析纳米粒子的弥散强化、二元协同等复合效应，为揭示纳米刚性粒子弥散强化木材组分的机制奠定基础。

经弥散等方式充分分散的无机纳米刚性粒子与木材组分构建复合材料体系中的微纳米界面，是复合材料的组分间实现有效复合并获优异性能的关键。.在国家自然科学基金资助项目（31370569）的资助下，项目组主要进行了木质材料基体相-无机纳米粒子增强相复合体系中，纳米刚性粒子弥散（分散）过程行为特性及所形成的复合材料部分性能的分析；预研界面微区结构、两相界面分析、纳米颗粒弥散强化效应评价与其规律等。.项目初步研究表明：（1）相对于微米纤维，纤维素纳米晶与聚乳酸有更好的界面相容性，增强作用好。纳米粒子与经过预处理的后具有更好地表面活性的纤维素基体大分子链间，以氢键、范德华力形成紧密结合，并能与纳米粒子表面羟基等发生缩合交联反应，加上羟基与羧基间的脱水缩合，能形成稳定的复合材料结构，能较好地传递所承受的外应力，对木质纤维基体形成显著增强增韧效果。（2）当纳米SiO2、CaCO3的颗粒平均面积分数越小，其团聚程度越小，分散程度也就越好。其质量分数为3%时，分散程度最优。木材-纳米SiO2/PP复合材料的拉伸强度为35.67Mpa。当超过3%时，由于纳米粒子自身存在较强的范德华力，在复合材料体系内部发生自团聚，粒子体积增大，颗粒平均面积分数增大。且此时纳米粒子在复合材料体系中得到很好分散，与界面的接触增大，当受到冲击力量时，产生的微裂可以吸收更多的冲击能，复合材料的冲击强度达到最大。若继续增加，其团聚现象开始增加，分散性变差。另外，经纳米CaCO3和MgCO3粒子复合改性处理的竹木重组材燃烧时，有良好的阻燃效果，燃烧900s后，其TSP减少29.47%，平均消光面积（a-SEA）减少33.04%。（3）推测弥散纳米粒子均布于木材基体后，可有效阻碍木材组分的结晶区纤维产生类似于晶体物质中位错和晶界运动，从而显著提高复合体系的各类强度。木质材料-无机纳米刚性粒子复合材料中，不同相区间的相互作用会影响相的偶合，这种偶合将促进多相间的协同效果，以致在宏观上可呈现出超常规的界面物性。.研究期间，项目组成员发表标注研究论文6篇，其中，SCI收录2篇、EI收录2篇；毕业硕士1人，两人从副教授晋升教授。