碳纳米管附着麻纤维增强树脂基复合材料双界面构建及其作用机制研究

This project aimed at high mechanical performance modification of plant fiber reinforced polymer composite materials, the interest is focused on the construction of dual interface of carbon nanotube deposited ramie lumen/resin and carbon nanotube deposited surface of ramie/resin and the action mechanism of the dual-interface. Considering the hollow multiwall structure of the plant fiber, vacuum aided resin injection molding (VARIM) process will be employed to despite multi wall carbon nanotube into the lumen and outer surface of the ramie, the effect of property of carbon nanotube suspension and the parameter of vacuum aided infusion process on the despite weight and distribution of carbon nanotube will be studied, the depositing mechanism of carbon nanotube into lumen and outer surface of ramie maybe illuminated. Further more, carbon nanotube deposited ramie reinforced polymer composites will be fabricated by VARIM process, the effects of carbon nanotube on the macro and micro interface bond strength will be studied, and the ynergetic effect of the dual-interface will be revealed. The results will supply theory and technology for the higher properties modification of natural fiber reinforced polymer composites.

本项目针对植物纤维增强树脂基复合材料高力学性能改性问题，围绕附着碳纳米管苎麻纤维管腔内壁/树脂和附着碳纳米管苎麻纤维外表面/树脂基复合材料双界面构建技术及其协同作用机理展开研究。首先利用植物纤维独特的中空管腔结构，提出了碳纳米管浸润剂/苎麻纤维真空灌注沉积附着技术，将碳纳米管沉积于苎麻纤维外表面和管腔内壁，考察碳纳米管浸润剂、真空灌注工艺等材料和工艺因素对碳纳米管沉积量和分布的影响，阐明真空灌注工艺下碳纳米管在苎麻纤维管腔内壁和外表面的沉积附着机理。在此基础上，研究附着碳纳米管苎麻纤维丝束的渗透特性，制备碳纳米管附着苎麻纤维增强树脂基复合材料，深入分析碳纳米管对复合材料宏微观界面粘结强度的作用机理，探究附着碳纳米管苎麻纤维管腔内壁/树脂和附着碳纳米管苎麻纤维外表面/树脂双界面的协同作用机制，研究结果将为苎麻纤维复合材料高力学性能化提供新的理论依据和技术途径。

植物纤维是一种绿色无污染的生态纤维材料，是一种常见的增强材料，但由于植物纤维力学性能不高，植物纤维增强复合材料的应用范围受到限制，难以在结构件和次结构件中的应用。针对植物纤维增强复合材料高性能化改性问题，本项目提出了碳纳米管沉积附着麻纤维表面从而提高复合材料界面强度的研究思路，重点研究碳纳米管在植物纤维表面的沉积附着方法和机理，考查碳纳米管在植物纤维增强树脂基复合材料界面区的作用机制，探索阐明增强机理。通过研究发现，纳米纤维素水悬浮液可以作为羟基化碳纳米管的分散剂，可以制备碳纳米管分散均匀稳定的混合悬浮液。采用真空灌注工艺，通过控制真空灌注压力，实现了碳纳米管悬浮液对单向剑麻纤维的可控浸渍，明确了真空灌注压力和悬浮液浓度是影响灌注过程和浸渍质量的关键参数。对于碳纳米管含量为0.1wt%的悬浮液，合适的真空灌注压力范围为0.03MPa-0.05MPa。接触角测试结果表明，表面附着碳纳米管可以提高剑麻纤维和环氧树脂的接触角和粘附功，但提高并不明显。通过对剑麻纤维增强环氧树脂单丝和层板两种形态复合材料力学性能的研究发现，表面附着碳纳米管可以有效提高复合材料的力学性能，其本质是界面区碳纳米管的存在提高了复合材料的界面粘结强度。纳米纤维素作为一种天然的高强高模纳米材料，其本身对植物纤维增强复合材料本就具有增强作用，以纳米纤维素水悬浮液作为碳纳米管的分散介质，在分散碳纳米管的同时，纳米纤维素和碳纳米管可以同时起到增强植物纤维复合材料的作用。上述研究结果为制备高性能植物纤维增强复合材料提供了技术和理论支撑，丰富了植物纤维增强树脂基复合材料的改性技术和界面理论。