聚多巴胺界面增强聚乙烯纤维在应变硬化水泥基复合材料中的键合作用：微观与介观尺度测试的启示

为解决聚乙烯(PE)纤维与水泥基体界面粘结弱的问题，研究人员通过生物启发材料聚多巴胺(PDA)对UHMWPE纤维进行表面改性，结合LC3低碳水泥基体，开发出具有优异应变硬化性能的纤维增强复合材料(SHCC)。研究证实1小时PDA沉积即可形成功能性涂层，单纤维拔出试验显示界面剪切强度提升3倍，宏观拉伸测试表明改性纤维复合材料抗拉强度提高13.3%，为可持续建筑材料的开发提供了新思路。

　　

在建筑行业向可持续发展转型的背景下，传统水泥基材料的高碳排放问题日益凸显。石灰石煅烧粘土水泥(LC³)作为低碳替代品虽能减少50%熟料用量，但其脆性特征限制了应用。纤维增强是提升韧性的有效手段，然而超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维因其非极性表面与水泥基体粘结薄弱，难以实现理想的应变硬化(SHCC)效果。这一"强纤维-弱界面"矛盾成为制约高性能复合材料发展的关键瓶颈。

德国德累斯顿工业大学联合莱布尼茨聚合物研究所的科研团队创新性地引入仿生粘附分子聚多巴胺(PDA)，通过微观界面调控解决了这一难题。研究发表在《Applied Surface Science》，首次系统揭示了PDA在PE纤维与LC³基体间的多尺度增强机制。

研究采用原子力显微镜(AFM)表征涂层形貌，X射线光电子能谱(XPS)分析表面化学，zeta电位测试评估官能团活性，结合单纤维拔出试验和宏观拉伸测试评价力学性能。通过模拟水泥孔隙液的碱性环境(3-离子溶液)，系统考察了涂层耐久性。

微观尺度界面调控
AFM显示1小时PDA沉积即可形成连续纳米涂层(厚度约20nm)，XPS证实其富含胺基(-NH₂)和羟基(-OH)。zeta电位测试表明短时(1h)涂层具有最高等电点(pH4.7)，碱性处理后仍保持2.8，证实活性基团稳定性。

介观尺度力学增强
单纤维拔出试验中，PDA改性纤维(PE-DA01)界面剪切强度达1.14MPa，较原始纤维(0.34MPa)提升235%。环境电镜(ESEM)观察到PDA层完全转移至水泥基体，形成"机械互锁-化学键合"协同界面。

宏观性能验证
在2%纤维掺量的LC³-50基SHCC中，PDA改性使抗拉强度提升至5.1MPa(提高13.3%)，裂纹宽度控制在84.4μm。数字图像相关技术(DIC)显示裂纹密度达345条/米，证实多重裂纹萌生能力。

碱性环境适应性
模拟水泥孔隙液的浸泡实验表明，PDA涂层在pH13条件下14天后仍保留50%覆盖率。LC³基体的缓冲效应(pH≈12.5)进一步延缓了涂层降解，这通过长期zeta电位监测得到验证。

该研究建立了"短时沉积-适度降解"的界面优化理论：1小时PDA沉积形成的薄层(1)最大化活性位点密度，(2)保证碱性环境下的部分保留，(3)实现纤维-基体应力有效传递。相比传统24小时工艺，新方法能耗降低95%，更适于工业化应用。

作为首个将仿生界面工程与低碳水泥结合的系统研究，其意义不仅在于开发出抗拉强度5.1MPa、应变能力3%的SHCC材料，更开创了"分子界面设计-介观力学调控-宏观性能定制"的材料开发范式。特别值得注意的是，PDA的儿茶酚结构能与LC³中铝酸盐相形成配位键，这为下一代智能复合材料界面设计提供了新方向。研究团队正将该方法拓展至聚丙烯(PP)纤维增强体系，有望推动全球每年减少3亿吨水泥相关碳排放。