功能性木材-橡胶复合材多尺度微纳结构界面的构建及形成机理

Based on natural regeneration resources, wood rubber composites (WRC) will be fabricated by hydrothermal mineralization and molecular assembly technologies. Using the pre-planted crystal seeds and induced growth methods, the nano materials with different building blocks, such as ZnO, SiO2, CaCO3, Fe3O4 and graphene, would be successfully grown on the wood fiber surface. A structural WRC system with multi-functions and micro/nano meters will be developed. The interior formation mechanism of the micro/nano structures, assembly structures of the building blocks, and the cooperative functions of WRC will be deeply analyzed. The formation mechanism of the multiple WRC with micro/nano structures and different interfaces will be also examined. The as-fabricated functional WRC will be not only effectively improved traditional performances (corrosion resistance, fire resistance, dimensional stability, abrasion), but also granted new special functions (superhydrophobic, conductive, electromagnetic shielding). Thus, the service life of WRC will be extended as well as expanded scope of applications. The key scientific points of the project are the harmonious compatibility and functions of WRC, formation mechanism of the building blocks with micro/nano structures grown on the wood fiber surfaces, the interface between the wood and the rubber. The results of the research will provide the production and application of the high value-added wood-rubber composites with the solid theoretical and technical foundation.

从利用自然界再生资源制备木材橡胶复合材料出发，采用水热矿化和分子组装技术，通过预植晶种、诱导生长，实现ZnO、SiO2、CaCO3、Fe3O4和石墨烯等纳米基元物质在木材纤维表面的生长；构建功能性微纳结构木材橡胶复合体系，分析多尺度微纳结构的内在本质、组装基元结构和性能的协同规律，探究木材橡胶微纳结构多元异质界面的形成机理。制备的功能性木材橡胶复合材，不仅可有效改善其常规性能（防腐、阻燃、尺寸稳定、耐磨等），而且将赋予其新的特殊功能（超疏水、导电、电磁屏蔽等），延长使用寿命，同时拓展其应用范围。本研究拟解决的关键科学问题是橡胶与木材纤维、多尺度微纳结构单元的相容协效性及其界面的构筑形成机理。研究结果将为木材橡胶复合材料的功能拓展和开发利用提供新的科学研究思路，同时为发展高附加值的木材橡胶功能复合材料提供理论依据和技术保障。

本研究采用水热矿化和分子组装技术，通过预植晶种、诱导生长，在木材上成功负载了ZnO、SiO2、TiO2等微纳米结构的粒子，制备出了功能性微纳米结构的木材，弥补了木材热处理造成的性能损失，并改善木材耐老化、耐腐性能等。同时在木材纤维上生长了ZnO、CaCO3、Fe3O4和石墨等微纳米结构的粒子，分析了前驱体的浓度和配比、反应温度、反应时间、纤维形态等对纤维表面生长微纳米粒子的形貌、数量等的调控，确定了微纳米粒子在木材纤维表面的形成机理及最佳生长工艺条件。利用橡胶硫化成型工艺和流涎成膜工艺制备了木材橡胶复合材料，探索了不同纤维改性方法对木材橡胶复合材料性能的影响。同时将生长了不同微纳米结构的木材纤维与橡胶复合，分析了橡胶与木材纤维、微晶结构单元的相容性以及其界面形成机理。确定了在木材纤维上生长微纳米结构可以有效改善橡胶与木材纤维之间的相容性，同时赋予木材橡胶复合材防腐、疏水、抑菌、磁性、耐磨、导电和电磁屏蔽等特殊功能，为发展高附加值的木材橡胶功能复合材料提供理论依据和技术保障。