利用桦木粉和硅藻土填料提升生物基聚氨酯复合材料的机械性能

《Journal of Renewable Materials》：Enhancing Mechanical Properties of Biobased Polyurethane Composites Using Birch Flour and Diatomite Fillers

桦木粉与硅藻土增强的生物基聚氨酯复合材料力学性能与结构调控研究。采用乙氧基化蓖麻油替代未改性蓖麻油，显著提升聚氨酯基体结晶有序性（玻璃化转变温度从-25.5℃升至18.4℃），拉伸强度达8.8 MPa。5-30wt%桦木粉填充使强度提升2倍，协同添加硅藻土时强度达18.1 MPa（16-17倍于未增强基体）。SEM显示有序片层结构形成，断裂机制为软相球状体的塑性变形，结晶相作为成核点促进片层生长。形态调控是增强力学性能的核心机制，乙氧基化处理有效缓解蓖麻油羟基空间位阻，优化分子链排列

　　本研究聚焦于聚氨酯（PU）复合材料的制备与性能优化，特别是在利用可再生资源作为原料的背景下。随着全球对资源高效利用和可持续材料发展的关注不断加深，寻找替代传统石油基材料的生物基原料成为当前材料科学领域的热点。本研究选择使用蓖麻油及其乙氧基化衍生物作为PU的多元醇组分，旨在探索其对复合材料性能的影响，并进一步通过添加木材粉和硅藻土等天然填料来提升材料的机械性能。研究结果显示，乙氧基化蓖麻油在提高PU复合材料的拉伸强度方面具有显著优势，同时通过优化填料配比和复合材料结构，实现了对材料微观结构和宏观性能的全面调控。

在当前的研究中，PU复合材料的制备采用了直接混合法，通过将乙氧基化蓖麻油与木材粉或硅藻土混合，形成了具有增强性能的复合体系。研究者发现，乙氧基化蓖麻油能够将PU的拉伸强度提升至2.75倍，从原本基于未改性蓖麻油的3.2 MPa增加到8.8 MPa。这一显著提升主要归因于乙氧基化蓖麻油分子结构的改变，其羟基的反应活性因空间位阻的减少而增强，从而促进了更有序的聚合物结构形成。此外，研究还表明，当将木材粉与硅藻土按一定比例混合作为填料时，PU复合材料的拉伸强度可进一步提升至16-17倍，达到18.1 MPa，显示出填料协同效应的存在。然而，这种增强效果在某些情况下可能受到填料配比的影响，例如当填料含量超过一定范围时，材料的延展性会有所下降，但整体机械性能仍保持良好。

木材粉作为天然纤维的一种，因其来源广泛、可再生性强，成为近年来研究的热点。在本研究中，木材粉的添加显著提高了PU复合材料的拉伸强度，尤其是在5-30 wt.%的加载范围内。这种性能提升可能与木材粉的微观结构和其与聚合物基体之间的界面相互作用有关。研究者通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现，木材粉能够被聚合物基体充分浸润，形成均匀的分散状态，从而有效增强材料的力学性能。同时，木材粉的纤维长度在1-100 μm之间，这一尺寸范围被认为是最适合提升复合材料性能的。研究还指出，木材粉的加入不仅提升了拉伸强度，还对玻璃化转变温度（Tg）产生了积极影响，使其从原本基于未改性蓖麻油的-5.0°C提升至25.4°C以上，这表明材料的热性能也得到了改善。

硅藻土作为一种天然的硅质沉积岩，经过研磨后可形成细小的白色粉末，粒径范围在1-5 μm之间。硅藻土因其多孔性和良好的吸水性，能够被聚合物基体充分浸润，表现出与木材粉相似的填料行为。在本研究中，硅藻土与木材粉的混合使用并未显著提升拉伸强度，但对材料的延展性有所改善。此外，硅藻土的加入使得复合材料在断裂时表现出不同的失效机制，例如其与基体之间的脱粘行为，这可能有助于材料的韧性提升。然而，由于硅藻土的物理特性与木材粉存在差异，其在复合材料中的作用机制仍需进一步研究。

为了进一步优化PU复合材料的性能，研究者尝试使用未改性蓖麻油与乙氧基化蓖麻油的混合物作为多元醇组分。这一策略旨在平衡成本与性能之间的关系，因为乙氧基化蓖麻油的价格相对较高。然而，实验结果表明，使用混合物会导致PU复合材料的机械性能下降，其拉伸强度显著低于使用纯乙氧基化蓖麻油的材料。这可能与混合物中未改性蓖麻油的分子结构有关，其空间位阻效应可能抑制了更有序的聚合物结构的形成，从而影响了复合材料的力学性能。因此，尽管混合物降低了成本，但其对材料性能的负面影响使得研究者倾向于使用纯乙氧基化蓖麻油作为主要原料。

研究者还通过SEM图像观察了PU复合材料的微观结构，发现其具有典型的层状结构，这种结构的形成与材料的机械性能密切相关。层状结构的有序性有助于限制聚合物基体中分子链段的运动，从而提高材料的刚性和强度。此外，玻璃化转变温度的升高也表明材料的热稳定性得到了增强，这可能对实际应用中的耐温性能产生积极影响。然而，当使用未改性蓖麻油与乙氧基化蓖麻油的混合物时，由于缺乏有序结构，材料的玻璃化转变温度显著降低，导致其热性能和机械性能均受到影响。

在实际应用中，PU复合材料的性能不仅取决于其组成材料的种类和比例，还受到制备工艺的影响。本研究采用了一种自制的溶解器，配合特定的切割附件，在1500 r/min的转速下将木材粉或硅藻土与乙氧基化蓖麻油混合，以确保填料的均匀分散。随后，混合物经过三次辊机处理，以消除填料的团聚现象，从而提高材料的均匀性和机械性能。处理后的混合物在110°C下保持24小时，以促进填料与基体之间的充分接触和反应。这一工艺流程的优化有助于提高复合材料的整体性能，同时降低了生产过程中的能耗和成本。

除了机械性能的提升，研究者还关注了PU复合材料的热性能和微观结构的演变。通过差示扫描量热法（DSC）和SEM图像分析，研究者发现，乙氧基化蓖麻油的使用显著提高了PU的玻璃化转变温度，使其从-5.0°C提升至18.4°C以上。这一变化可能与乙氧基化蓖麻油分子结构的有序性有关，其促进了更稳定的微相分离结构的形成。此外，材料的微观结构也显示出显著的差异，例如在乙氧基化蓖麻油基体中观察到的层状结构，而使用未改性蓖麻油的材料则呈现出无序的软相结构，这可能限制了其机械性能的提升。

本研究的结论表明，PU复合材料的机械性能主要受到其微观结构的影响，特别是聚合物基体中有序结构的形成。通过选择合适的多元醇组分和填料配比，研究者成功实现了对材料性能的调控。其中，乙氧基化蓖麻油的使用显著提升了材料的拉伸强度和热稳定性，而木材粉和硅藻土的混合使用则在一定程度上增强了材料的延展性。然而，混合使用未改性蓖麻油和乙氧基化蓖麻油时，由于缺乏有序结构，材料的性能反而有所下降。因此，研究者认为，在实际应用中，应优先考虑使用纯乙氧基化蓖麻油作为多元醇组分，以确保复合材料的优异性能。

此外，研究还强调了材料制备过程中填料分散均匀性的重要性。通过优化混合工艺和处理条件，研究者确保了木材粉和硅藻土能够被聚合物基体充分浸润，从而避免了填料团聚对材料性能的负面影响。这种均匀的填料分布不仅有助于提升材料的机械性能，还可能对其他性能如热稳定性、电绝缘性等产生积极影响。因此，在未来的材料开发中，如何进一步提高填料的分散性和界面结合强度将是研究的重点。

综上所述，本研究通过系统分析乙氧基化蓖麻油与木材粉、硅藻土等填料的协同作用，揭示了PU复合材料性能提升的内在机制。研究结果表明，材料的微观结构和填料的分散状态是影响其机械性能的关键因素。通过选择合适的原料和制备工艺，研究者成功制备了具有优异性能的PU复合材料，这为未来生物基材料的发展提供了重要的理论支持和实践指导。同时，研究还指出了在实际应用中需注意的经济性和环境因素，为材料的可持续发展提供了新的思路。