无机纳米浸渍改性植物纤维与热塑高聚物的界面结合机理

本项目以化学离析方法制取的木材、竹材和麻类等三种具有代表性植物的纤维为研究对象，应用无机纳米浸渍技术对其进行表面改性，并采用优化的热压工艺，将植物纤维与聚丙烯和聚苯乙烯薄膜复合成型。通过研究植物单根短纤维改性前后的表面形貌、化学组成、晶层结构和微力学等特性与复合材料拉伸强度、弯曲模量和热力学等性能之间的变化关系，建立植物纤维表面"空穴"的不同形态与无机纳米改性工艺的内在联系；探讨无机纳米颗粒的形态和结构对复合材料界面的影响，揭示无机纳米颗粒增强复合材料界面粘结性能的作用机理；通过创建"空穴"与无机纳米颗粒晶体结构分子及其影响纤维分子结构和界面强度的数学模型，进行分子动力学模拟，得到无机纳米颗粒的运动轨迹，实现微观层面规律的宏观表征，为开发高性能植物纤维热塑高聚物复合材料提供理论依据。

植物纤维热塑性高聚物复合过程中，植物纤维亲水性和塑料疏水性的不相容，及植物纤维表面的微孔结构均降低了复合材料的界面相容性，因此本项目提出了一种无机纳米原位浸渍改性新技术，力图同时解决以上两个界面不相容的难题，并提出其界面增强结合机理。本项目针对以上问题，以慈竹、杉木和黄麻为研究对象，通过机械剥离和5种化学离析方法制取单根纤维，并将其与市场上硫酸盐浆、化机浆纤维在纤维形态、化学成分、力学性能、制取难易等方面进行比对研究，筛选确定了双氧水+冰醋酸的化学离析方法为本研究较优的制取方法。同时，经过碳酸钙原位浸渍改性技术的系统分析，优化了改性工艺，得到了改性后的慈竹、杉木和黄麻纤维试样，并对其在形貌观察、物理性质、化学成分、拉伸力学等方面进行比对研究，确定了单根植物纤维的增强机制，改性后的单根竹纤维拉伸强度和拉伸模量分别提升了18.3%和35.8%。随后，采用热压工艺，将植物纤维与聚丙烯薄膜复合成型，通过研究单根纤维与复合材料的拉伸力学性能及其断裂形貌，探讨了碳酸钙微纳米颗粒的形态和结构对复合材料界面的影响，建立了碳酸钙微纳米颗粒改善复合材料界面性能的作用机理，改性后的竹纤维复合材料拉伸强度和模量分别提升了10.4%和16.7%。根据碳酸钙微纳米颗粒增强植物纤维及其复合材料的试验数据，实现了无定形纤维素玻璃化转变温度的分子动力学模拟，为开发高性能植物纤维热塑高聚物复合材料提供了理论依据。相关研究结果发表于国内外知名刊物《Holzforschung》、《Wood and Fiber Science》、《Journal of Wood Science》、《Fibers and Polymers》、《Journal of Natural Fibers》及《北京林业大学学报》、《南京林业大学学报》等，并多次在国内外行业学术研讨会上进行学术交流。