纤维取向对水环境中油菜秸秆/PVC复合材料摩擦行为的调控机制及协同处理优化研究

针对植物纤维增强聚合物复合材料(PFPCs)在潮湿环境中耐磨性不足的问题，研究人员通过碱-超声协同处理油菜秸秆(RS)，制备了RS/PVC复合材料，系统研究了纤维取向(0°、45°、90°)对材料干/湿摩擦性能的影响。结果表明：0°取向复合材料力学性能最优(拉伸/弯曲/冲击强度分别提升33.94 MPa/55.16 MPa/7.98 kJ/cm2)，湿环境下微切削和纤维脱粘是主要磨损机制，该研究为PFPCs结构设计提供了理论依据。

　　

在可持续发展理念推动下，植物纤维增强聚合物复合材料(PFPCs)因其可降解、低成本等优势，在建筑、包装等领域展现出巨大潜力。然而这类材料在户外潮湿环境中的表现却令人担忧——耐磨性差、易吸水膨胀等问题严重制约其应用。更棘手的是，当纤维排列方向与受力方向不一致时，材料性能会急剧下降。究竟如何通过纤维取向设计提升PFPCs的耐候性？这个难题一直困扰着材料科学家。

中国的研究团队选择油菜秸秆(RS)这种农业废弃物作为增强相，与聚氯乙烯(PVC)基体结合，通过创新的碱-超声协同预处理工艺，成功制备出性能优异的RS/PVC复合材料。他们系统考察了不同纤维取向(0°、45°、90°)对材料在干/湿环境下摩擦磨损行为的影响，相关成果发表在《Industrial Crops and Products》上。这项研究不仅揭示了纤维取向调控磨损机制的规律，更为环保型复合材料的工程应用提供了重要设计准则。

研究采用三大关键技术：1) 碱-超声协同处理(3%NaOH浸泡12h+20kHz超声)；2) 热压成型工艺(170℃/0.5MPa/40min)；3) 多模式摩擦测试(干/湿三体磨耗试验和环块滑动磨损试验)。通过接触角测量、力学性能测试、红外热成像和激光共聚焦显微镜等手段，全面表征了材料性能。

【4.1 亲水性分析】
碱-超声处理使RS接触角从76.23°降至58.93°，有效去除亲水性组分并增加纤维粗糙度，为后续界面强化奠定基础。

【4.2 力学性能】
协同处理使复合材料力学性能显著提升：0°取向样品展现出最优性能，其拉伸/弯曲/冲击强度较90°取向样品分别提高33.94 MPa/55.16 MPa/7.98 kJ/cm²。应力分析表明，0°取向时纤维承担主要载荷，而45°取向形成"轴向-剪切协同承载"机制。

【4.3 磨粒磨损】
质量损失(M_L)和比磨损率(W_S)随纤维角度增加而上升，湿环境下数值更高。0°取向时水平分力(F_τ)由纤维承担，而90°取向时垂直分力(F_N)导致基体严重磨损。湿磨损表面出现明显凹坑，磨损机制从微切削转变为磨粒磨损与疲劳磨损复合模式。

【4.4 滑动摩擦】
研究发现摩擦系数(COF)与载荷/速度呈负相关，而摩擦力(F_t)呈正相关。0°取向样品在干摩擦下COF最低(0.36)，湿摩擦时进一步降至0.20。接触面温度分析显示，45°取向样品温度最低(77.5℃)，而90°取向因严重摩擦生热达最高温度。磨损轮廓测试证实，0°取向磨损深度<1200μm，而90°取向>2000μm。

讨论部分揭示了关键机制：水环境通过双重路径影响磨损——既形成润滑膜降低COF，又通过纤维吸胀引发界面开裂。纤维取向通过调控应力分布决定磨损模式：0°取向以粘着磨损为主，90°取向则表现为纤维断裂和基体剥落。该研究创新性地提出"轴向-剪切协同承载"模型，为PFPCs在潮湿环境中的应用提供了重要设计原则，特别是为农业废弃物高值化利用开辟了新途径。