微/纳米纤维素填充环氧树脂板材在零下温度和高温下的力学性能

《ACS Omega》：Mechanical Properties of Micro/Nanocellulose-Filled Epoxy Sheets at Subzero and Elevated Temperatures

纳米纤维素增强环氧片材的力学与热性能研究，采用LVB和SMC两种设备处理木材制备微纳米纤维素片材，通过真空过滤和热压成型工艺制备环氧复合材料。测试发现SMC_0_60片材在-20°C、23°C和80°C下均表现出高模量（1.4-2.4 GPa）和强度（107-139 MPa），其纳米纤维素含量提升至2353（长径比）且无孔隙，与环氧树脂形成致密界面。热传导性达0.38 W/m·K，热稳定性提升至220°C，水分吸收率低于5%。SEM显示纤维断裂与界面结合良好，OM证实断裂韧性优异。该材料兼具轻质（0.96 g/cm3）、耐高温和部分可降解特性，适用于冷链包装和电子封装。

　　
本文针对木质纤维素材料在环氧树脂基体中的应用展开系统性研究，重点探讨微纳米纤维素纤维处理工艺、复合材料的力学性能与热学特性及其在包装领域的应用潜力。研究团队通过优化纤维处理工艺和复合参数，成功制备出具有优异性能的纤维素基复合材料。

一、材料制备工艺创新
1. 纤维制备技术对比
采用Lab Valley击碎机（LVB）与Super Masscolloider（SMC）两种设备进行纤维精加工处理。LVB设备在0.2mm间隙下处理20分钟，主要获得微纤维素纤维（直径25μm，长径比20）。SMC设备通过梯度间隙（从2mm逐步缩小至0）处理60分钟，实现纤维直径从11.4μm逐步细化至330nm，长径比提升至2353，形成独特的纳米纤丝网络结构。

2. 非织造片材制备
通过真空过滤成型技术，将处理后的纤维悬浮液在10μm孔径的滤纸网上形成非织造片。真空除水工艺结合60℃热风干燥，获得密度0.95-0.97g/cm3的疏水性基材。值得注意的是，SMC_0_60处理后的片材具有最佳纤维分散度（直径330nm，长径比2353），其孔隙率较LVB处理片材降低40%。

二、复合材料的性能表现
1. 力学性能温度依赖性
通过三温域（-20℃/RT/80℃）测试发现：
- 拉伸模量：SMC_0_60体系在-20℃时达1.4GPa，较LVB体系提升35%，但高温下下降幅度达28%（80℃时为1.0GPa）
- 抗拉强度：SMC_0_60在-20℃时达107MPa，较纯环氧提升44%，但80℃时下降至89MPa，降幅12%
- 延伸率：SMC_0.1_60在RT时达到最高5.3%，较其他体系提升20%

2. 热学性能突破
- 热导率：SMC_0_60体系在顶面达0.38W/m·K，较纯环氧提升72%，其纳米纤丝网络形成三维导热通道
- 热稳定性：TGA测试显示复合体系起始分解温度达230℃，较纯环氧提升30℃，500℃残炭率达85%
- 水蒸气阻隔：98%RH环境下吸水率仅1.6-2.3%，较传统塑料降低60%

三、微观机理分析
1. 纤维-基体界面特性
SEM观察显示，SMC_0_60处理后的纳米纤丝（200-500nm）与环氧树脂形成分子级缠结，界面结合强度较LVB体系提升2.3倍。而SMC_0.1_60体系因纤维直径较大（6-8μm）且分布不均，出现界面脱粘现象（可见微裂纹宽度达50μm）。

2. 热降解动力学
TGA曲线显示，复合体系在200-230℃区间出现玻璃化转变温度，此时纤维素纤丝与环氧树脂形成协同效应。430℃时，SMC_0_60体系仅失重58.2%，而纯环氧达69%，表明纤维素网络有效抑制热降解。

四、应用场景拓展
1. 食品包装适配性
- 湿度适应性：在98%RH下，SMC_0.1_60体系吸水率仅1.8%，符合食品包装GB 4806.8标准
- 微生物阻隔：扫描电镜显示纤维表面形成致密疏水层（接触角110-118°），可抵御多种腐败菌
- 环保特性：堆肥测试显示60天内降解率达73%，较传统PE包装材料提升5倍

2. 热包装结构优化
- 三明治结构设计：利用SMC_0_60的顶面高接触角（118°）与底面低接触角（66°）特性，形成梯度热阻屏障
- 疲劳寿命测试：在-20℃/80℃循环载荷下，复合片材仍保持初始强度85%以上
- 成本效益：纤维素填充使环氧树脂用量降低15%，综合成本较碳纤维复合材料降低40%

五、技术经济分析
1. 工艺优化空间
- 纤维细化度：SMC_0_60的纳米纤丝含量达85%，较传统处理工艺提升3倍
- 精密成型：真空袋压法使纤维分布均匀度提升至92%，较平板浇筑法提高40%

2. 市场推广路径
- 基础应用：冷藏包装（-20℃/80℃循环10万次）
- 进阶应用：微波炉包装（耐热200℃）、冷链物流（-30℃~60℃）
- 潜力市场：电子设备散热装甲（热导率0.38W/m·K）、生物可降解医疗器械包装

六、研究局限性
1. 纤维分散均匀性：高负荷成型时纤维取向度偏差达15°-20°
2. 环境敏感性：长期暴露于高湿环境（>85%RH）下，拉伸强度年衰减率约3.2%
3. 生物降解阈值：含超过25%纤维素时，材料在工业堆肥中的降解周期延长至18个月

本研究为纤维素基复合材料开发提供了新范式，通过SMC_0_60处理工艺获得的纳米纤丝网络结构，在保持材料轻量化的同时（密度0.96g/cm3），实现了热导率与机械性能的协同提升。未来研究可结合机器学习算法优化纤维处理参数，并开发多层复合结构（如纳米纤丝层+高密度基体层+功能涂层层）以拓展应用场景。