TiO2 溶胶改性剑麻纤维素纤维及其复合材料的性能提升机制研究

本研究针对剑麻纤维素纤维(SF)机械性能不足、高吸湿性及界面相容性差等问题，采用溶胶-凝胶技术以钛酸四丁酯为前驱体制备TiO2 溶胶改性SF，并与聚乳酸(PLA)复合。结果表明：改性纤维(TiSF)拉伸强度提升29.5%，复合材料(TiSF-g-PLA)力学性能显著增强，热分解温度提高10°C，抗菌性明显改善，为天然纤维增强复合材料的功能化开发提供新策略。

　　

在全球生态环境恶化和"双碳"目标背景下，开发可降解的天然纤维复合材料成为材料科学的研究热点。剑麻纤维素纤维(SF)因其优异的机械性能和可再生特性，被视为替代玻璃纤维等石油基材料的理想选择。然而，SF存在先天缺陷：力学性能逊于合成纤维、高吸湿性导致与聚合物基体界面结合差，这些问题严重制约其在高性能复合材料中的应用。传统改性方法如碱处理、等离子体处理等存在能耗高、工艺复杂等局限，如何通过绿色低耗技术实现SF性能突破成为关键科学问题。

河北科技大学的研究团队创新性地采用溶胶-凝胶技术，以钛酸四丁酯为前驱体制备TiO₂
溶胶对SF进行改性，并以聚乳酸(PLA)为基体制备复合材料。研究通过FT-IR、SEM、XPS、力学测试、热重分析等技术系统评估改性效果，成果发表于《International Journal of Biological Macromolecules》。关键技术包括：溶胶-凝胶法制备TiO_{2>/sub>改性剂、纤维-基体复合界面调控、多尺度性能表征体系。实验所用SF由广东广垦东方剑麻有限公司提供。}

材料与方法
研究选用工业级SF经碱预处理(ATSF)后，通过钛酸四丁酯水解-缩聚反应在纤维表面构建TiO₂
凝胶层(TiSF)，再与PLA熔融共混制备复合材料。采用控制变量法对比未改性纤维(USF)、碱处理纤维(ATSF)和TiO₂
改性纤维(TiSF)的性能差异。

FT-IR分析
红外光谱显示3336.75 cm^-1
处羟基特征峰强度变化证实TiO₂
成功接枝。碱处理使ATSF表面羟基增多，而TiSF在500-800 cm^-1
出现Ti-O-Ti特征振动峰，证明TiO₂
凝胶网络形成。

力学性能提升
TiSF单纤维拉伸强度较USF提升29.5%，归因于TiO₂
凝胶填充纤维缺陷并增强分子间作用力。TiSF-g-PLA复合材料展现全面增强：拉伸、弯曲和冲击强度分别较USF-PLA提高22.16%、18.11%和29.16%，表明TiO₂
改性显著优化了纤维-基体应力传递效率。

热稳定性改善
热重分析显示TiSF热分解温度较USF提高10°C，复合材料初始分解温度同步提升。TiO₂
凝胶的热屏障效应延缓纤维素链段热运动，这种"陶瓷增强"机制为材料高温应用奠定基础。

表面特性与抗菌性
SEM观测到TiSF表面粗糙度增加，接触角测试证实疏水性提升。抗菌实验显示TiO₂
改性使SF对大肠杆菌抑制率显著提高，归因于TiO₂
的光催化杀菌作用，这一特性拓展了材料在医用领域的应用潜力。

该研究通过溶胶-凝胶技术实现SF从微观结构到宏观性能的协同优化：TiO₂
凝胶网络不仅增强纤维本征强度，还通过改善界面相容性、热稳定性和抗菌性，使复合材料综合性能突破天然纤维的固有局限。相比传统改性方法，该技术具有低温节能、工艺可控等优势，为开发高性能生物基复合材料提供新思路。特别值得注意的是，TiO₂
的多功能改性效果（力学增强+热稳定+抗菌）展现出"一材多用"特性，这对汽车内饰、医用包装等需要综合性能的场景具有重要应用价值。研究团队Dan Li等提出的"陶瓷化纤维素纤维"概念，可能引领天然纤维功能化改性的新方向。