秸秆微/纳纤丝增强聚氨酯仿木材料的多界面效应机理研究

本课题通过高效的高能超声波细胞破碎法结合其他机械方法制备秸秆纤维素微/纳纤丝，研究和分析秸秆微/纳纤丝的表面结构形态、表面自由能及表面化学性能；通过不同的物理机械方法和化学预处理方法对秸秆微/纳纤丝表面进行修饰和改性，研究不同改性工艺对其增强的聚氨酯仿木材料的泡孔结构、物理力学性能、阻燃性能及热稳定性的变化规律；探讨和分析微/纳纤丝增强的聚氨酯仿木材料的界面胶合机理、界面力学行为及界面尺寸结构的变化规律，揭示多界面效应机理及其对秸秆微/纳纤丝增强的聚氨酯仿木材料性能的影响；探讨和分析提高仿木材料性能的途径。本项研究旨在找到改善仿木材料泡孔结构、物理力学性能和热学性能的手段，为该类产品的产业化应用提供技术支撑和理论依据。

声化学是近20年来发展起来的一门新的边缘交叉学科，在合成化学、高聚物化学及声电化学等方面都取得了重要进展。以天然纤维素纤维为原料，分别开展了以硫酸水解、碱润胀预处理结合超声波破碎的声化学处理法，来提高纤维素纤维的反应性能。研究了处理对纤维素纤维的形态结构、超分子结构、反应性能的影响，并对制得的微/纳纤丝改性聚氨酯仿木材料的力学性能及界面效应进行了探讨。研究结果表明，经碱液润胀及超声波处理后的纤维细胞壁破碎，产生分层剥落现象，细小纤丝从纤维束中分离出来，发生纤丝化作用，并随超声时间和润胀剂的不同，分丝帚化程度有所差异。处理使纤维素分子间氢键受到一定程度的破坏，分子排列规整性减小，有序状态降低。处理后相对结晶度较处理前有所降低，碱液的辅助活化处理也使微/纳纤丝的相对结晶度降低。处理后的微/纳纤丝保留了原来纤维素纤维的特征吸收峰。微/纳纤丝的-OH特征吸收峰向高波数移动，表现出纳米材料的特征。结晶度实验测试结果发现:高浓度(17.5%，质量分数)NaOH溶液润胀预处理的声化学法制备的微/纳纤丝晶型发生变化，由纤维素I转变为纤维素II。低浓度(2%，质量分数)NaOH溶液预处理制备的微/纳纤丝仍保持纤维素I的晶型。高碱液活化预处理的声化学法使制得的样品结晶度增大。经低浓度碱化预处理的纤维素纤维的分丝帚化程度增加，纤维更加“开放”，表面积增大，增加了纤维素纤维的反应活性。经预处理后的纤维素和NaOH之间发生了化学变化，生成了碱纤维素。通过微晶纤维素制备纳米纤维素的最优工艺为：56%的硫酸40℃下处理1h，超声功率70%，处理30min。所得纳米纤维素在微观下为均匀的棒状结构。通过正交实验得出纳米纤维素（NCC）、纳米SiO2和TiO2改性的聚氨酯仿木材料，抗弯性能测试中密度对弯曲断裂力影响最大，对于断裂形变量而言，填料种类对其结果影响最大；在拉伸性能测试中，KH550添加量对最大拉伸应力影响最大，而对于相对伸长率而言，填料种类对其结果影响最大；在抗压缩性能测试中通过极差分析可知，密度对压缩强度影响最大，而对于相对形变而言，同样密度对其结果影响最大。NCC对聚氨酯的改性效果介于纳米SiO2和TiO2改性效果之间，但在压缩相对形变上改性效果较为突出。本项研究改善了仿木材料的泡孔结构和物理力学性能，为该类产品的产业化应用提供了一定的技术支撑和理论依据。