中文摘要：

植物纤维增强体的制备与表面改性是提升植物纤维增强生物降解脂肪族聚酯复合材料性能的关键环节。申请人提出的螺杆注射式蒸汽爆破方法，可以实现脂肪族聚酯在蒸汽爆破条件下的可控降解并与植物纤维发生原位增容反应，提高复合材料的综合性能。针对注射式蒸汽爆破原位改性过程中保压阶段和爆破阶段的反应机理不同，进行保压改性模拟实验和正常的蒸汽爆破实验，获得不同历程的原位改性产物。定量表征多组分复杂体系的原位改性产物，建立保压及爆破阶段原位改性的反应动力学模型，运用Monte Carlo方法模拟蒸汽爆破条件下脂肪族聚酯降解的过程，揭示脂肪族聚酯降解并与植物纤维中各组分反应的机理，分析原位改性对复合材料性能的影响，探索各因素的作用规律，为控制原位改性产物，制备高性能生物降解脂肪族聚酯/植物纤维复合材料提供理论指导依据，并形成具有自主知识产权的高效清洁的生物降解聚酯/植物纤维复合体系原位改性方法。

结论摘要：

植物纤维增强体的制备与表面改性是提升植物纤维增强生物降解脂肪族聚酯复合材料性能的关键环节。课题组研制开发了新型的连续式蒸汽爆破实验装置，解决了蒸汽爆破反应条件参数的独立控制问题，实现了蒸汽爆破过程中植物纤维增强体的制备条件及植物纤维增强体表面原位改性反应条件的有效调控。建立了蒸汽爆破输送过程的传质传热数学模型，模拟了植物纤维原位改性过程的温度、压力、停留时间分布，分析了上述变量与工艺参数、结构参数之间的关系，为有效控制反应过程提供了基础数据。针对不同改性要求，选择了多种改性剂，利用自行研制的连续式蒸汽爆破方法，实现了植物纤维在蒸汽爆破条件下的可控降解并与脂肪酸以及水溶性聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇（PEG）发生原位增容反应，获得具有不同表面特性的改性植物纤维，提高了植物纤维/聚合物复合材料的综合性能。由于植物纤维是复杂的多组分体系，各组成部分均有发生反应的可能，课题组利用NMR、XPS、FTIR、XRD、TG、DSC等测试表征手段对原位改性产物进行了表征，揭示了改性剂与植物纤维中各组分反应的机理，分析了原位改性对植物纤维及其复合材料性能的影响，探索了各因素的作用规律，为控制改性效果，制备高性能植物纤维/生物降解聚酯复合材料提供理论指导依据。研究结果表明蒸汽爆破处理在分离出植物纤维细胞增强体的同时，使得半纤维素、木质素部分降解，植物纤维细胞壁的组织结构受到破坏，产生大量的活性基团，同时在高温高压水的润胀作用下，改性剂对植物纤维各组分的可及度增加，反应效率大大提高。经PVA共蒸汽爆破改性的植物纤维增强体制备的复合材料的综合力学性能得到改善，而且水溶性PVA分子链上的部分OH可与半纤维素降解产生的酸发生酯化反应、与降解产物脱水形成的醛发生缩醛反应，也可与纤维表面的羟基形成氢键，因此PVA的加入对复合材料的吸水性的影响很小。经过PEG改性后的植物纤维中的半纤维素、纤维素的热降解温度大幅度提高，木质素的玻璃化转变温度降低，说明蒸汽爆破过程中加入PEG可以与植物纤维的三大组分发生反应，改变植物纤维的表面特性。蒸汽爆破过程中加入硬脂酸后，硬脂酸的羧基可与植物纤维表面的羟基发生酯化反应，使羟基减少，羰基和羧基增多，同时增大了木素分子再缩合的空间位阻，使木质素缩合反应减弱。上述研究结果表明选择适宜的改性剂与植物纤维共蒸汽爆破是一种无污染、高效率的植物纤维增强体制备与改性方法。