纳米纤维素对芯-表结构天然纤维/聚合物复合材料增强机理的研究

As a new-generation green composite, core-shell structure nature fibers/ polymer composites (NFPC) has been recently developed and used to enhance performance characteristics of composites. The shell layer, made of thermoplastics unfilled or filled with minerals or nature fibers and other additives, plays a critical role in enhancing overall composite properties. The interactions between shell and core layers with different structural and material combinations are, however, needed to achieve desired product performance. In this project, core-shell structure NFPC (co-extrusion) with Cellulose Nanofibers (CNFs) filled shells will be researched by systematically studying the effect of structure on properties of NFPC. Based on the studies, the author will develop a finite element modeling procedure to predict interface properties between shell and core layers and verify the model prediction of experimental data, and reinforcing mechanism of CNFs on core-shell structure NFPC will be explored. The result of this project can help provide a fundamental base for developing new functional applications of core-shell structure NFPC with CNFs reinforced shells.

芯-表结构的天然纤维/聚合物复合材料（NFPC）作为新型的绿色环保型材料已成为一个热点的研究方向。使用芯-表结构可以显著改善复合材料的综合性能，大大提高复合材料的使用率，并使其在原料使用和材料性能与功能上更符合循环经济和绿色环保的原则。芯-表结构NFPC的芯层与表层间的界面性能是影响芯-表结构NFPC整体性能的主要因素。本项目拟采用天然纳米纤维作为增强材料，以共挤出技术制备芯-表结构NFPC。申请者将通过比较改性后的芯-表结构与均相结构NFPC的机械性能和热学性能，分析结构对NFPC性能的影响；以此为基础深入研究芯-表结构NFPC芯层和表层间界面性能，探讨芯-表结构NFPC的改性机理，并建立其界面粘接性的有限元模型。通过深入开展本项目，以期为芯-表结构NFPC的性能改性和结构设计提供理论基础和技术支持。

芯-表结构的天然纤维/聚合物复合材料（NFPC）作为新型的绿色环保型材料已成为一个热点的研究方向。使用芯-表结构可以显著改善复合材料的综合性能，大大提高复合材料的使用率，并使其在原料使用和材料性能与功能上更符合循环经济和绿色环保的原则。芯-表结构NFPC的芯层与表层间的界面性能是影响芯-表结构NFPC整体性能的主要因素。本项目拟采用天然纳米纤维作为增强材料，以共挤出技术制备芯-表结构NFPC。申请者将通过比较改性后的芯-表结构与均相结构NFPC的机械性能和热学性能，分析结构对NFPC性能的影响；以此为基础深入研究芯-表结构NFPC芯层和表层间界面性能，探讨芯-表结构NFPC的改性机理，并建立其界面粘接性的有限元模型。通过深入开展本项目，得出以下结论：（1）模口温度宜控制在150-170 ℃；填料增强表层的试验结果表明，控制表层及芯层的螺杆转速宜保持接近，不宜超过50 r/ min;表层厚度可以通过模具的调整及喂料速度进行控制；当采用CNFs增强表层时，模口温度在温度区间内宜取低值；采用共挤出技术制备CNFs增强表层的共挤出木塑复合材料，其表层与芯层的粘结性不甚理想。（2）对比共挤出木塑复合材料(芯-表结构)（CNFs增强表层）的测量值和有限元模型模拟值可知，两组值总的来说是基本契合的。因此，可以利用该有限元模型优化CNFs增强表层的 共挤出木塑复合材料（芯-表结构）的机构设计提供一定的支持。(3) CNFs理论上可以较好的调高材料的性能，但其作为表层增强材料使用时必须控制好尺寸，同时避免其团聚使其分散均匀。（4）建议采用层合结构（三明治结构），这样更可以发挥表层填料的增强效果。