纤维改性对芳纶纤维增强溶液浇铸聚氯乙烯薄膜力学性能的影响

《Polymer》：Effects of Fiber Modification on the Mechanical Properties of Solution-Cast Poly(vinyl chloride) Films Reinforced by Aramid Fibers

本研究对比了磷酸、硝酸及改良DMSO/KOH处理对芳纶纤维的表面改性效果，发现硝酸处理可产生更粗糙的纤维表面，增强与PVC基体的机械互锁，而DMSO/KOH处理解聚纤维为纳米纤维，通过纳米级分散抑制裂纹扩展，使PVC/ANF复合材料的拉伸强度提升55.5%。实验表明酸处理主要依赖表面粗糙化，而纳米纤维通过界面区域限制链段运动实现强化，二者机制不同。

　　### 一种增强聚氯乙烯（PVC）机械性能的纤维处理方法研究

在现代材料科学领域，复合材料因其优异的机械性能、热稳定性以及化学抗性而被广泛应用于工业和工程结构中。聚氯乙烯（PVC）作为一种常见的热塑性聚合物，因其成本低、易于加工和良好的化学稳定性而被广泛使用。然而，PVC在机械强度和热稳定性方面存在一定的局限性，这限制了其在高性能和负载环境中的应用。为了克服这些限制，研究者们致力于通过引入增强纤维来改善PVC的性能。本文研究了三种不同的纤维处理方法，旨在通过优化纤维与PVC基体之间的相互作用，提高复合材料的机械性能。

#### 纤维处理方法及其机制

在本研究中，采用了三种不同的处理方法：一种是使用磷酸进行表面处理，另一种是首次引入的硝酸处理，第三种是使用二甲基亚砜（DMSO）和氢氧化钾（KOH）的脱质子化处理，但在此研究中，该方法被简化为仅通过乙醇沉淀，而不进行烷基功能化处理。这三种处理方法分别通过不同的机制影响纤维与PVC基体的结合性能。

磷酸处理通过表面蚀刻，使纤维表面变得粗糙，从而增强纤维与PVC基体之间的摩擦力和机械互锁。然而，这种处理方法在PVC系统中尚未得到充分研究。硝酸处理则因其更强的酸性，能够更有效地改变纤维表面，使其产生更深的沟槽和更显著的表面粗糙度。相比之下，DMSO/KOH处理通过破坏纤维内部的氢键，将纤维分解为纳米级的纤维（ANFs），从而增加其表面积，提高在基体中的分散性。这种纳米级分散有助于抑制微裂纹的形成，提高复合材料的承载能力。

#### 复合材料的性能评估

研究通过多种分析技术对处理后的纤维及其复合材料进行了评估。包括使用傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）和宽角X射线衍射（WAXD）分析纤维表面化学结构和晶体结构的变化。同时，通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）评估了纤维的表面形貌和粗糙度。结果表明，经过70%浓度、60分钟处理的硝酸和磷酸分别在表面粗糙度和纤维-基体相互作用方面表现出不同的效果。

在机械性能方面，研究通过拉伸测试和动态机械分析（DMA）对复合材料的性能进行了评估。结果显示，经过酸处理的纤维（AFNA和AFPh）显著提高了PVC复合材料的杨氏模量和拉伸强度。而ANFs由于其纳米级分散特性，虽然杨氏模量较低，但其拉伸强度显著优于酸处理的纤维复合材料。这一现象表明，纳米纤维通过其小尺寸和高表面积，能够在基体中形成更广泛的界面区域，从而有效抑制微裂纹的形成和传播。

#### 失效机制分析

通过对复合材料在拉伸条件下的失效模式进行分析，研究揭示了不同处理方法对复合材料性能的影响。在PVC/AF复合材料中，纤维拉出是主要的失效机制，表明纤维与基体之间的界面结合较弱。而在PVC/AFNA和PVC/AFPh复合材料中，观察到纤维拉出和纤维解离的现象，这表明酸处理增强了纤维与基体之间的界面结合力，从而提高了复合材料的机械性能。相比之下，PVC/ANF复合材料的失效机制主要表现为微裂纹的形成，但纳米纤维的高密度分布使其能够有效桥接初始裂纹，延缓裂纹的扩展。

#### 研究意义与未来展望

本研究不仅比较了三种处理方法对PVC复合材料性能的影响，还揭示了不同的处理方法在纤维-基体相互作用和复合材料失效机制方面的差异。这些发现为优化纤维-基体相互作用提供了关键的理论支持，特别是在非反应性热塑性系统中。此外，本研究还提出了一种简化的方法，即通过乙醇沉淀制备ANFs，避免了复杂的烷基功能化步骤，降低了成本和操作难度。

未来的研究可以进一步探讨酸处理对复合材料长期稳定性和耐久性的影响。此外，可以探索不同处理方法在其他非反应性聚合物中的应用，以拓展其应用范围。通过这些研究，可以为开发高性能的PVC基复合材料提供新的思路和方法，推动其在工程和结构应用中的潜力。