生物质微细纤维复合改性处理对木塑复合材性能的影响及作用机制

Wood-plastic composite (WPC) is a new material created through the fusion of bio-fibers and plastics, with bio-fibers as fillers or reinforcing materials. The interfacial compatibility between bio-fibers and the plastic matrix, in addition to the dispersion of fibers in thermoplastics are key obstacles to overcome in enhancing the physical and chemical properties of WPCs. One of the most discussed techniques in the research of increasing fiber-matrix compatibility is to use coupling agents or other chemical modifications. However, the expensiveness and complexity of the technique, along with the environmental problems that chemical modifications bring, are the main disadvantages. This project extends the research results of previous projects of the Natural Science Foundation of China. Using inexpensive bio-fibers as subjects, the project focuses on physical modifications, including treatments under high-temperature and high-pressure steaming or high-temperature air, as well as composite modifications using environmentally friendly organic silanes with special chemical structures. Through improving the dispersion and mobility of fibers in the plastic fusant, and enhancing the compatibility and adhesion strength between fibers and plastics, the project studies the patterns in effects that composite modifications have on the interfacial compatibility of composite materials and rheological properties of fusants, aiming to investigate the mechanisms in the modifications. In developing and perfecting the bio-fiber modification system, the project intends to provide the theoretical foundation and technical supports for the massive and effective use of bio-resources and the optimization of WPC products.

木塑复合材料（WPC）是以生物质纤维作为填充或增强材料，与塑料熔融复合而成的一类新型材料。生物质纤维与塑料基体之间的界面相容性及其分散性是制约WPC物理、化学性能提高的瓶颈。在改善二者界面相容性的研究中，热点之一是采用偶联剂或其它化学改性，但其不足是成本高、工艺复杂以及化学改性带来的环境污染问题。本项目作为前期国家自然科学基金项目研究的进一步深入和拓展，以低值生物质微细纤维为研究对象，重点采用物理改性手段，包括生物质纤维的高温高压蒸汽改性、高温热空气改性，或与环境友好的带有特殊化学结构的有机硅烷改性相结合的复合改性方法，通过改善纤维在塑料熔体中的分散和流动性、及纤维和塑料的相容性，增强二者界面结合强度，研究复合改性处理对复合材料界面相容性和熔体流变性质影响的规律，揭示其改性机理，旨在建立和完善生物质纤维改性体系、为生物质资源的大规模高效利用和WPC产品性能最优化提供理论基础和技术支撑。

本项目以具有代表性的杨木纤维、农作物秸秆纤维等低值生物质纤维为研究对象，重点采用物理改性等主要手段，围绕生物质微细纤维的高温高压蒸汽改性、高温热空气改性，或与带有特殊化学结构的有机硅烷改性相结合的复合改性方法展开研究，分别开展了①生物质微细纤维的高温高压蒸气改性工艺及其对木塑复合材性能的影响和作用机制、②生物质微细纤维有机硅烷改性剂的选择及其对木塑复合材性能的影响和作用机制、③高温高压蒸气与有机硅烷复合改性及其对WPC 性能的影响和作用机制、④生物质微细纤维脉冲-旋流气流干燥工艺对木塑复合材料性能的影响等方面的研究工作，通过改善纤维在塑料熔体中的分散和流动性、及纤维和塑料的相容性，增强二者界面结合强度，旨在研究复合改性处理对复合材料界面相容性和熔体流变性质影响的规律，揭示了其改性机理。并在此基础之上，本研究继续拓展了在①红衣陶土增强木基复合材料的性能及其机理研究、②纳米TiO2改性麦秸纤维/聚丙烯发泡复合材料性能研究、③基于蒙脱土插层结构的聚乳酸/麦秸纤维复合材料制备及其性能等方面的功能性改良研究工作，以期进一步改善木塑（秸塑）复合材料的物理力学、耐紫外老化、抗生物性及阻燃等性能，重点考察红衣陶土和改性红衣陶土添加量对木塑复合材料及木基发泡复合材料性能的影响及其作用机制，揭示了纳米TiO2粒子的表面改性机理以及表面改性纳米TiO2粒子对复合材料界面相容性的增强机理，考察了表面改性纳米TiO2粒子及其用量对复合材料力学性能和耐紫外老化性能的影响，解明了纳米MMT的改性机理及有机改性纳米MMT 对复合材料插层机理和界面相容增强机理；最终建立和完善了生物质纤维改性体系，研究结果可为生物质资源的大规模高效利用技术、以及生物质-聚合物复合材料及其下游产品的整个产业链提供理论基础和技术支撑。