基本信息
- 项目名称：
- 一种用于高性能热塑性复合材料的麻纤维表面疏水化处理技术
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 麻纤维增强热塑性复合材料是极具潜力的新型环保的高性能结构材料，但亲水性的天然纤维素纤维与疏水性的热塑性聚合物树脂基体的不相容性导致了此类复合材料较弱的界面粘结力，从而影响其性能。本作品首创地提出了用醇类预处理结合常压等离子体处理的方法来改善麻纤维的表面性能，降低表面亲水性，提高与热塑性树脂的粘结力，从而为制造性能优越的麻纤维增强热塑性复合材料解决技术难题。
- 详细介绍：
- 苎麻纤维经过乙醇、异丙醇和正丁醇预处理后用纯氦气常压等离子体进行处理。处理前后纤维的表面形态、吸湿性和表面化学成分分别用扫描电子显微镜、接触角测试仪和X射线光电子能谱仪进行检测分析；纤维与热塑性聚丙烯树脂基体的界面剪切强力用微复合材料测试方法进行测试；单纤强力用纤维拉伸强力仪进行测试。此外，由于麻纤维吸湿性很强，进一步研究了湿度条件这种表面处理方法效果的影响，为实际应用提出重要的技术建议。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 撰写目的：本作品创新地提出并详细介绍一种将醇类预处理与常压等离子体处理相结合的表面处理技术，用以降低麻纤维的表面亲水性，提高与疏水热塑性树脂的相容性，从而增强麻纤维增强热塑性复合材料的界面粘结性能。 基本思路：介绍麻纤维经醇类预处理后用常压等离子体进行处理的操作流程，测试处理前后纤维的各项表面性能以及与聚丙烯树脂的界面剪切强力，基于测试结果对此处理方法的改性机理进行系统全面的分析。
科学性、先进性及独特之处
- 现阶段多数纤维素纤维疏水化表面处理方法的效果都不理想，且常用的化学方法对环境有污染。而等离子体是环保、无水的表面改性技术，可有效产生清洁、刻蚀及聚合反应等作用。常压等离子体技术具有处理时间短、灵活度高和成本低廉等优势。但研究表明单独利用等离子体处理通常会使纤维表面亲水性有所增加。而本作品创新地提出的将醇类预处理与常压等离子体技术相结合的方法，可有效降低麻纤维表面亲水性，提高复合材料的界面粘结力。
应用价值和现实意义
- 麻纤维增强热塑性复合材料具有重量轻、比强度和比刚度高以及可回收利用等多项优越性能，是最具潜力的新型结构材料，在汽车、建筑及军事航空领域都有良好的应用前景。但面临的最大问题是麻纤维的亲水性不利于与疏水聚合物的界面粘结，从而影响其力学性能及使用寿命。本作品提出的新的处理方法，可有效降低麻纤维的亲水性，且绿色环保、易于操作，可实际应用于制造性能优越的复合材料的生产过程中，解决发展瓶颈，有很大的推广价值。
学术论文摘要
- 亲水的天然纤维素纤维与疏水的热塑性聚合物树脂基体的不相容导致了此类复合材料较弱的界面粘结力。本课题研究了如何利用常压等离子体处理与醇类预处理结合来改变苎麻纤维表面性能，从而提高其与聚丙烯树脂的粘结力。苎麻纤维在无水乙醇、异丙醇溶液和正丁醇溶液里分别浸泡10分钟后，用氦气等离子体进行处理。由于等离子的刻蚀作用，扫描电子显微镜显示处理后的纤维表面粗糙度增加，这有利于与树脂的机械锁结。X射线光电子能谱分析仪显示，乙醇、异丙醇预处理组纤维表面的C-C基团比例显著增加，C-O下降；而正丁醇处理组C-C基团变化不大。接触角测试显示处理后纤维表面与水的接触角变大了。微复合材料测试显示乙醇、异丙醇和正丁醇预处理组的纤维与PP的界面剪切强力比空白组分别增加46%、47%和34%，这很可能是纤维与预处理醇类在等离子环境下发生化学反应，降低了麻纤维表面的极性和亲水性，提高了纤维与PP基体的相容性。同时以乙醇实验组为例，研究了麻纤维的回潮率（2.5，6.1和23.5%）对此方法处理效果的影响。测试结果显示，在干燥条件下进行处理的效果最好。
获奖情况
- 1.已发表SCI论文一篇 Hydrophobic atmospheric pressure plasma treatment of ramie fibers with ethanol pretreatment.Surface & Coatings. 205: 4205–4210 (2011) 影响因子：1.793 中国科学院情报所国外期刊分类二区顶级期刊 2.论文"Effect of alcohol pretreatment in conjunction with atmospheric pressure Plasmas on hydrophobizing ramie fiber Surfaces"已投稿"Surface & Coatings Technology". Ms. Ref. No.: SURFCOAT-D-11-01160 3.论文"Influence of absorbed moisture on surface hydrophobization of ethanol pretreated and plasma treated ramie gibers"已投稿"Surface & Coatings Technology". Ms. Ref. No.: SURFCOAT-D-11-01161 4.三篇会议论文已被ICCE-19（The Nineteenth Annual International Conference on Composites/Nano engineering，Shanghai，China，July 24-30，2011)接受； 5.已申请国家发明专利一项：一种改善苎麻纤维与热塑性树脂界面粘结性能的方法.专利申请号：20111012753.1
鉴定结果
- 审稿人#1:作者提出了新方法来克服天然纤维素纤维与热塑性基体的界面不相容性。论文条理清晰。#2:论文介绍了在麻纤维等离子体改性方面重要的技术研究，并且做了大量有效的工作。实验结果很有科学和技术价值。
参考文献
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同类课题研究水平概述
- 环境恶化、资源缺乏和能源危机使得人类认识到保护环境和有效利用资源的重要性和迫切性，采用可再生生物资源来制造新材料已成为当下的热点。麻纤维增强热塑性复合材料由于有重量轻、比强度和比刚度高、可回收再利用等优势，显示出良好的应用前景。然而其面临的最大问题就是麻纤维的亲水性不利于与疏水聚合物基体的界面粘结，从而影响复合材料的力学性能及使用寿命。 麻纤维表面改性方法主要分为物理处理法和化学改性法。物理处理方法包括蒸汽爆破法、热处理法、低温等离子体处理、高能射线辐射处理等。化学改性法包括碱处理，用硅烷偶联剂等偶联处理，乙酰化处理、氰乙基化处理以及烷基化处理等对纤维进行接枝共聚等。现阶段多数麻纤维表面疏水化方法的处理效果都不尽如人意，或由于成本问题难以投入生产使用。很多化学改性方法使用污染性有机溶剂，产生有害物质，对环境非常不利。其中，硅烷偶联剂处理虽然应用广泛, 但其合成路线中需引入氯，存在较为突出的污染和设备腐蚀问题，且生产流程长，成本也相对高。而物理处理方法中的低温等离子体技术是一种无水处理技术，可大幅地节水、节能、减少环境污染，同时具有反应温度低、穿透力小、操作简单、经济实用等优点，并且已被证明可有效产生清洁、刻蚀、沉积及聚合反应等作用。其中的常压等离子体处理，相对于低温真空型等离子体表面改性来说，具有处理时间短、可连续操作、灵活度高和成本低廉等优势，因为它无需真空环境，此外其还可以处理含液材料。 就纤维素纤维而言，改性表面羟基基团，降低表面极性和亲水性，可以提高其与疏水性聚合物的相容性。然而，很多同类研究单独地利用氧气、氩气、氦气及空气等离子处理，结果通常会使纤维表面亲水性有所增加，从界面相容性方面来看是不理想的。氟碳等离子体技术可以提高表面疏水性，但处理过程较复杂，而且氟碳气体的使用对环境有潜在的危害。 蒋秋冉等人发现常压等离子体处理不会提高经过乙醇预处理的聚乙烯纤维的亲水性。在此研究的启发之下，本课题创新地提出醇类预处理与常压等离子体相结合来处理亲水性纤维素纤维的方法，可使纤维表面的纤维素分子和醇类分子在等离子处理条件下发生物理以及化学反应，从而降低麻纤维的亲水性，改善其与树脂的粘结性，进而提高所制得的复合材料的性能。这是一种绿色环保的表面处理方法，同时操作简便，可广泛应用于实际生产中。
