聚丙烯/库劳阿纤维复合材料自然暴露后的风化过程评估

《Polymer》：Evaluation of the weathering processes after natural exposure of polypropylene/Curauá fiber composites

本研究制备了聚丙烯（PP）及其改性材料（PP/MAPP）与功能化纤状库拉乌（CF_f、CF_Fo）的复合材料，通过FTIR、羰基指数（CI）等分析其耐环境老化性能。结果表明，CF_f和CF_Fo显著降低CI值（0.4以下），延缓降解；PP/MAPP经3个月诱导期后CI达0.3，降解更严重。SEM显示材料表面出现裂纹和损失，但力学性能影响较小。UV-Vis证实PP/MAPP光降解更明显。

　　本研究探讨了木质纤维素纤维增强型聚合物复合材料在环境老化过程中的性能变化，特别是以聚丙烯（PP）为基体、加入马来酸酐（MAPP）作为偶联剂以及使用纤维化Curauá纤维（CF）或经有机硅烷修饰的Curauá纤维（CFo）所制备的复合材料。研究结果表明，纤维的表面处理和偶联剂的使用对复合材料的界面性能和整体稳定性具有显著影响。通过对不同地理环境下（如巴西圣保罗地区的坎皮纳斯和圣安德烈）进行长达370天的自然暴露，评估了复合材料在紫外线辐射和温度条件下的老化表现。研究方法包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、羰基指数（CI）、机械性能测试、光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）分析、差示扫描量热法（DSC）以及紫外-可见光谱（UV-Vis）测试。

Curauá纤维作为一种天然纤维素纤维，因其高强度和低密度而受到关注。它在巴西亚马逊地区广泛种植，特别是在帕拉州，其叶片长度可达1.5米，宽度达4厘米。Curauá纤维的化学成分主要由纤维素（65-74%）、半纤维素（10-15%）和木质素（7-7.3%）组成，这些比例会因纤维种类（白色或紫色）、种植地点以及收获后的时间而有所不同。Curauá纤维被广泛应用于汽车工业和弹道工业，其在聚丙烯复合材料中的应用潜力得到了进一步验证。

尽管Curauá纤维天然状态下为长纤维，但在实际应用中，通常被加工为短纤维用于复合材料。研究表明，通过纤维化处理可以增强Curauá纤维与聚合物基体之间的相互作用，从而提高复合材料的机械性能。此外，Curauá纤维的密度较低，约为1.4 g/cm3，相较于玻璃纤维（2.5 g/cm3）具有更好的轻量化优势。其断裂伸长率约为4.2%，而拉伸强度则在0.89至4.2 GPa之间变化，这些特性使其成为一种理想的增强材料。

聚丙烯作为一种热塑性聚合物，其加工温度通常低于200°C，因此在加工过程中可以有效避免Curauá纤维的热降解，从而保持其增强性能。同时，聚丙烯具有良好的可回收性，可以在不显著影响其性能的情况下被回收五次，这与聚酰胺（PA12）相比具有明显优势。然而，聚丙烯与天然纤维素纤维之间的相容性较差，因为天然纤维素纤维通常具有亲水性，而聚丙烯则为疏水性，这种差异可能导致复合材料的界面性能下降，进而影响整体的机械性能。

为了解决这一问题，通常采用化学或机械处理方法对纤维进行改性，或者在基体中引入偶联剂以提高纤维与基体之间的粘附力。其中，马来酸酐及其衍生物（如富马酸、柠烯酸和衣康酸）是最常用的偶联剂之一。这些偶联剂不仅能增强复合材料的机械性能，还能提高其热稳定性。另一种有效的改性方法是使用有机硅烷对纤维进行表面修饰，这种方法被认为能够显著改善复合材料的界面性能。

在已有研究中，Sharma等人对不同含量的Curauá纤维增强型聚丙烯复合材料进行了研究，发现经过氢氧化钠处理的Curauá纤维能够更好地分散在聚丙烯基体中，从而提高复合材料的机械性能。Delgado-Aguilar等人则研究了使用马来酸酐偶联剂和短Curauá纤维增强型聚丙烯复合材料的性能，发现随着纤维含量的增加，复合材料的拉伸强度和杨氏模量也随之提升。此外，计算模拟和生命周期分析（LCA）的结果表明，使用50%重量比的Curauá纤维可以显著降低环境影响因素，包括碳足迹、能耗、大气酸化和富营养化。

Bispo等人则研究了聚丙烯复合材料在多次再加工过程中的机械性能变化，发现无论经过多少次再加工，其熔融流动指数（MFI）和机械性能均未发生显著变化，这表明该类复合材料具有良好的可回收性。然而，聚丙烯的光降解特性是其在长期使用过程中需要关注的问题。聚丙烯在紫外线辐射下会发生光氧化反应，这种反应会导致材料中形成羰基、羟基和过氧化物基团，从而影响其性能和寿命。

光降解过程通常分为三个阶段：引发、传播和终止。在引发阶段，紫外线辐射被纤维吸收，生成自由基，这些自由基会引发后续的传播阶段，导致局部的氧化反应。最终，这些反应会进入终止阶段，使得材料发生降解。除了光降解，温度、残余应力以及环境条件（如湿度）也会影响或加速材料的降解过程。

本研究的主要目的是评估经过纤维化和有机硅烷修饰的Curauá纤维增强型聚丙烯复合材料在自然环境老化下的性能变化。通过在两个不同地理环境下进行长达370天的暴露，研究人员观察到不同环境条件对复合材料的降解产生了显著影响。研究结果表明，只有PP/MAPP复合材料在暴露初期（3个月内）表现出一定的诱导期，随后在370天后羰基指数（CI）上升至0.3。而含有CF和PP/MAPP的复合材料在370天后CI值约为0.4，表明CF在一定程度上能够减缓复合材料的降解。相比之下，含有PP/MAPP和CFo的复合材料表现出更高的CI值（0.36-0.42），这可能与纤维表面残留的过氧化物基团有关，导致更高的降解程度。

在370天后，所有样品均表现出纤维与基体界面处的裂纹和质量损失。尽管降解主要影响了样品的表面，但对机械性能的影响相对较小。紫外-可见光谱分析显示，所有复合材料均发生了褪色现象，但PP/MAPP复合材料的褪色程度较轻，这表明其具有更好的抗光降解能力。研究还发现，不同地理环境下的紫外线辐射强度和温度差异对复合材料的降解程度产生了显著影响，这为实际应用中材料的选择和设计提供了重要的参考依据。

本研究的成果表明，通过合理的纤维处理和偶联剂使用，可以有效提高聚丙烯复合材料的稳定性和使用寿命。特别是在环境老化过程中，这些处理手段能够显著改善复合材料的性能表现，使其在实际应用中更具竞争力。此外，研究还强调了环境条件对复合材料降解的重要性，指出在实际工程应用中，需要综合考虑材料的化学结构、物理性能以及环境因素，以确保其长期的稳定性和可靠性。

Curauá纤维的表面处理和纤维化处理对复合材料的性能提升具有重要意义。通过扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，研究人员确认了有机硅烷处理对Curauá纤维的表面修饰效果，并发现CFo样品表现出更多的纤维化结构，这表明有机硅烷处理不仅改变了纤维表面性质，还促进了纤维的进一步纤维化。这种表面改性和纤维化处理的结合，可能为提高复合材料的界面性能和整体稳定性提供了新的思路。

研究还发现，不同地理环境下的紫外线辐射强度和温度差异对复合材料的降解程度产生了显著影响。在坎皮纳斯和圣安德烈两个城市进行的自然暴露实验表明，紫外线辐射和温度的共同作用使得复合材料的降解程度有所不同。这种差异可能影响材料在不同环境条件下的应用效果，因此在材料设计和应用过程中，需要充分考虑这些因素。此外，研究还发现，环境老化主要发生在复合材料的表面，这表明在实际应用中，可以通过表面处理或保护层设计来提高材料的耐久性。

综合来看，本研究为聚丙烯复合材料在环境老化条件下的性能评估提供了新的数据和见解。通过对比不同处理方式下的复合材料，研究人员发现，偶联剂和纤维表面处理能够显著改善复合材料的稳定性和使用寿命。此外，研究还强调了环境条件对材料性能的影响，指出在实际应用中，需要综合考虑材料的化学结构、物理性能以及环境因素，以确保其长期的稳定性和可靠性。这些研究成果对于推动木质纤维素纤维增强型复合材料在工业领域的应用具有重要意义。