摘要
塑料制品在给带来方便的同时也造成了严峻的“白色污染”问题。竹塑复合材料具有绿色环保、可循环使用、成本低廉、可持续等优点，被广泛用于园林建筑、室内装修、家具制造、交通运输等领域，为竹材的高值化利用与废旧塑料的可靠性回收提供了新的途径。然而，竹塑复合材料存在界面相容性差、力学性能不佳、耐候耐热性能差等问题，制约了其推广与应用。为改善竹塑复合材料的性能，拓宽其应用范围，本研究以竹纤维（BF）为原料，利用水热处理方法制备水热竹纤维（HTB），并以此为增强相与聚丙烯（PP）共混制备HTB/PP复合材料，研究了水热处理对竹纤维性质、结构的影响规律，重点考察了水热温度、HTB添加量、偶联剂界面增容对HTB/PP复合材料的微观形貌、晶型、热性能、耐水性能、力学性能及动态热机械性能的影响，探讨了HTB/PP复合材料的界面增容机理，阐述了HTB/PP复合材料界面与性能的调控规律。具体研究内容、方法和结果如下： （1）水热处理对竹纤维结构和性能的影响。对竹纤维进行了不同温度（120~280℃）的水热处理，探究了水热温度对竹纤维结构和特性的影响。结果表明，水热处理可增加竹纤维的表面粗糙程度，降低其相对结晶度，减少竹纤维中挥发分含量，增加固定碳含量。水热温度的提高可以促进竹纤维的分解，降低其极性，提高固体产物中C元素含量，增加其炭化程度。同时，水热温度的提高可延缓其起始降解温度与最大热分解速率，提高其热稳定性。 （2）竹纤维水热温度对竹纤维/聚丙烯复合材料性能的影响。以不同温度下水热处理获得的HTB为增强相，以PP为基体通过熔融共混制备HTB/PP复合材料，探究了水热温度对HTB/PP复合材料性能的影响。结果表明，水热处理可提高竹纤维与PP基体的相容性，改善二者的界面结合。HTB的加入不会改变PP的晶型，但促进了PP的结晶，有助于提高复合材料的热稳定性和耐水性，且水热温度越高，复合材料热稳定性和耐水性越好。尽管HTB的加入会降低复合材料的韧性，但是提高了复合材料的拉伸性能、弯曲性能、刚性、弹性、抗应力松弛性能和抗蠕变性能。随着竹纤维水热温度从120℃提高到280℃，复合材料的拉伸强度由38.44MPa逐渐降低至21.78MPa，断裂伸长率由7.18%逐渐降低至5.83%，弯曲强度由61.85MPa逐渐降低至39.25MPa，冲击强度由8.33kJ/m2逐渐降低至4.39kJ/m2，拉伸模量和弯曲模量先升高后降低，在水热温度为160℃时分别达到较大值（479.19MPa和4.33GPa）。过高的水热温度使竹纤维炭化，对复合材料的拉伸性能、弯曲性能、刚性、弹性、抗应力松弛能力与抗蠕变性能等都产生了不利影响。综合来看，在160℃下水热处理后的竹纤维最有利于HTB/PP复合材料的性能。 （3）水热竹纤维添加量对聚丙烯基复合材料性能的影响。以160℃水热处理后的竹纤维为增强相，以PP为基体通过熔融共混制备复合材料，探究了水热竹纤维添加量（10%~60%）对复合材料性能的影响。结果表明，水热竹纤维添加量的增加有利于提高复合材料的热稳定性，但会降低复合材料的耐水性。过高的水热竹纤维添加量会导致其与PP的界面结合变差，从而对力学性能产生不利影响。水热竹纤维添加量的增加可提高复合材料的刚性、抗应力松弛性能和抗蠕变性能，但降低了复合材料的韧性和弹性。随着水热竹纤维添加量的增加，复合材料的拉伸强度与弯曲强度均先提高后降低，冲击强度一直下降。在水热竹纤维添加量为40%时复合材料的综合力学性能较优，其拉伸强度、弯曲强度、冲击强度、拉伸模量、弯曲模量、断裂伸长率分别为34.45MPa、55.84MPa、7.58kJ/m2、479.19MPa、4.33GPa、6.50%。 （4）硅烷偶联剂对水热竹纤维/聚丙烯复合材料性能的影响。利用硅烷偶联剂对不同温度下水热处理获得的HTB进行改性，以改性后的HTB为增强相，以PP为基体，通过熔融共混制备HTB/PP复合材料，研究了硅烷偶联剂改性处理对HTB/PP复合材料结构与性能的影响。硅烷偶联剂的改性处理对较低温度下水热处理得到的水热竹纤维的改性作用较好，对高温水热处理的竹纤维的改性效果不明显。HTB的偶联剂改性均没有改变复合材料的晶型，但均提高了其XRD衍射峰强度，改善了HTB与PP的界面相容性，提高了HTB/PP复合材料的耐热性与热稳定性，提升了HTB/PP复合材料的耐水性。硅烷偶联剂改性处理提高了复合材料的强度、韧性与弹性，降低了复合材料的刚性、抗应力松弛能力与抗蠕变性能。综合来看，偶联剂对160℃下水热处理获得的水热竹纤维的改性效果较优，其对应复合材料的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度、拉伸模量、弯曲模量、断裂伸长率分别为36.90MPa、59.81MPa、9.04kJ/m2、261.45MPa、4.08GPa、8.72%。
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