植物酸改性增强竹塑复合材料界面性能

摘要

【目的】竹塑复合材料已广泛应用于建筑及户外制品，其性能优劣的核心在于纤维与基体间的界面结合状态。现有研究多采用传统化学偶联剂改善界面相容性，但存在环境不友好、成本高、作用机制单一等问题，尤其缺乏对“竹纤维-填料-聚合物”多相界面的分析。本研究旨在通过环境友好的两种植物酸对碳酸钙进行表面改性，使其从“填料”转变为“偶联剂”，进而阐明其在改善竹纤维/聚丙烯/碳酸钙（BFs/PP/CaCO₃）复合材料界面结合与综合力学性能中的作用机制，为开发绿色环保、低成本的竹塑复合材料提供参考。【方法】采用柠檬酸钠和DL-苹果酸分别对碳酸钙进行表面改性，并与传统的硅烷偶联剂KH570对比，研究在不同添加量条件下对碳酸钙表面性能的影响。以碳酸钙、竹纤维和聚丙烯为原料，在控制碳酸钙添加量的条件下，制备BFs/PP/CaCO₃复合材料，考察其物理力学性能，并对其微观结构、尺寸稳定性和加工性进行表征。最后，阐明其界面性能增强机制，并综合考虑成本与性能。【结果】通过吸油值与活化度分析，确定柠檬酸钠、DL-苹果酸和KH570的优化添加量分别为碳酸钙质量的15%、5%和10%，且当改性碳酸钙添加量为10%时，复合材料的各项性能达到最优。传统KH570改性组复合材料的拉伸强度达41.30 MPa，弯曲强度和弹性模量分别为63.5 MPa和4.48 GPa；柠檬酸钠与DL-苹果酸改性组则表现出与传统KH570相当的界面结合能力，拉伸强度分别达40.31和39.62 MPa，可媲美工程塑料ABS（38～45 MPa）；弯曲强度和弹性模量分别为63.1MPa、63.5 MPa和4.41 GPa、4.37 GPa，均超过LY/T 2565—2015《竹塑复合材料》中规定数值的2倍。柠檬酸钠改性组在满足力学性能要求的同时具备轻量化优势，密度降至1.08 g/cm³（降幅4.42%），而DL-苹果酸改性组显示出较高的尺寸稳定性，其吸水厚度膨胀率仅0.211%，比未改性组降低46.31%。同时，经DL-苹果酸改性后，复合材料的熔体流动指数达到22.77 g/（10 min），与纯PP的熔体流动指数21.00 g/（10 min）相当，加工性能大幅提升.。【结论】植物酸改性剂显著提高了碳酸钙表面活性，并通过羧基键合Ca²⁺及羟基与竹纤维形成氢键网络的协同作用下，有效改善了碳酸钙与竹纤维及PP之间的界面相容性，进而提高复合材料的物理力学性能。植物酸不仅部分力学性能与KH570相当，而且DL-苹果酸可赋予复合材料更好的加工性能，柠檬酸钠则可降低约7%的原料成本。

关键词

竹塑复合材料 / 界面性能 / 改性 / 偶联剂 / 碳酸钙 / 植物酸 / DL-苹果酸 / 柠檬酸钠

基金资助

北京林业大学大学生创新创业训练计划（X202410022199）; 校企合作项目“针对儿童玩具及家具的木塑复合材料技术开发”（2020HXFWCLXY039）