石墨烯/木塑复合材料多尺度界面的构建及摩擦学性能调控机制研究

Wood plastic composite hold a huge prospect for application because of the combination of advantages of both plastics and wood. However, preparing friction materials with good interfacial strength by effective means remains the bottleneck of wood plastic materials. To break through this bottleneck, graphene with light weight, high strength, large specific surface and excellent sliding lubricant properties is adopted in this project to modify wood fiber through rapid physical absorption and highly branched macromolecules grafting, with the aim of constructing multi-scale interfaces for the composites to improve the tribological properties of wood plastic composites. The influence of process parameters of loading grapheme to wood fiber is studied to get the optimum technological parameters. The effects of processing parameters of preparing composites on the interfacial properties will be investigated. The mechanical and tribological properties of wood plastic composites are studied to explore the anti-friction and lubricant mechanism of wood plastic composites with multi-scale interface. Parameters such as friction coefficient, wear rate and worn surface are adopted to characterize the tribological properties. The quantitative or semi-quantitative relationship of interfacial adhesion and tribological properties will be established by computer-aided calculation. This project will provide important theoretical basis and technical support for the anti-friction and lubrication of wood plastic composites.

木塑复合材料因具有塑料和木材的双重优势而蕴藏有巨大的应用价值和前景。然而通过有效的方法来改善复合材料的界面强度，制备高性能的摩擦材料仍然是木塑材料的瓶颈和难点。为突破该研究瓶颈，本项目拟采用轻质高强、比表面积大且易滑动的二维结构石墨烯，通过快速物理吸附和高支化大分子化学接枝的方法来修饰木质纤维，构建多尺度的复合材料界面，提高木塑复合材料的摩擦学性能。本研究将考察工艺参数和方法对石墨烯在木质纤维表面负载量的影响，获取最佳工艺参数；制备具有多尺度界面的木塑复合材料，研究加工条件对复合材料的界面的影响。研究木塑复合材料的力学性能和摩擦性能；考察摩擦系数、磨损率和磨损表面等摩擦参数，探明多尺度界面对木塑复合材料的减摩和润滑机制；通过辅助计算的方法，建立界面结合强度和摩擦学性能的定量或半定量的关系。该项目的研究将为木塑复合材料的减摩和润滑提供重要的理论依据和技术支撑。

木塑复合材料具有塑料和木材的双重优势而蕴藏有巨大的应用价值和前景，然而制备高性能木塑复合摩擦材料是木塑材料的瓶颈和难点。本项目采用轻质高强、比表面积大且易滑动的二维结构石墨烯，通过快速物理吸附和高支化大分子化学接枝的方法来修饰木质纤维，构建多尺度的复合材料界面，制备具有多尺度增强的木塑复合材料。对于木质纤维/热塑性塑料（聚丙烯PP）体系，通过界面调控复合材料的结晶度，弹性模量和刚度，最终能实现对复合材料磨损量的调控：磨损率W和硬度关系H:W=474.1H-1-3.3;磨损量和材料断裂伸长率关系（EB）：W=-86.5EB-1+13.2.13；磨损量和结晶度关系W=0.06 Xc2 -5.7Xc +140.9；此外，运用对木质纤维的表面改性，能够调节PP流体与木质纤维之间的摩擦力，改善复合材料的表面进而提高摩擦学性能。动态力学分析是评估模塑复合材料界面强度的有效手段，当界面粘结系数越大的时候，复合材料的强度和模量就越高，有利于转移膜的形成。形成的转移膜中存在纳米尺度的片状石墨烯微片，起到支撑作用，实现多尺度润滑。对于木质纤维/热固性复合材料（双马来酰亚胺BMI）体系，通过用多维材料来改善木质纤维的表面来影响BMI反应的活化能，调控木质纤维表面附近的树脂优先固化，形成强有力的界面是提高该体系复合材料的力学性能和摩擦学性能的关键所在。通过该手段可以使得复合材料的磨损率最低降低为原来的23%,低至3.1*10-8g/r。该项目为复合材料特别是纤维类增强类复合材料，分别从热塑性复合材料和热固性两个重要方面提供了减摩和润滑提供新的方法和理论依据，有望进一步推广其应用。