随着人们对建设环境友好型社会理念意识的提高,天然纤维增强复合材料已日趋受到关注。竹是一种天然的植物材料,具有资源丰富、力学性能高、可生物降解等特性。研究开发竹材增强复合材料既能符合环境保护的要求,又能提高竹材的利用率,对我国经济建设和社会发展都具有十分重要的意义。然而,由于竹本身的物理结构和化学组成,在一定的大气湿度条件下,表现出较强的极性和亲水性,在制备复合材料的工艺过程中易形成鼓泡和翘曲变形,加剧与树脂的界面不相容性。另外,当制备好的竹材增强复合材料在室外湿环境下使用时,竹材的吸湿性也将引起复合材料界面的破坏和整体力学性能的下降。因此,对竹材增强复合材料界面吸湿性能的研究(包括制备过程中工艺环境湿度对界面粘结强度的影响以及复合材料使用过程中的界面吸水老化特性)非常必要。此外,虽然凭借力学测试方法可以直接地测量和计算复合材料的界面剪切强度,但是从纳米尺度上研究界面微观性质对全面反映复合材料界面状态的本质至关重要。论文是围绕竹材/树脂间的界面吸湿性能及从纳米尺度上对界面性能进行表征而展开研究的,以期实现：(1)量化复合材料制备过程中,环境湿度对竹材/树脂复合材料界面粘结强度的影响；(2)探索有效的化学改性方法对竹材进行改性,降低竹材的吸湿性能及提高竹材增强复合材料的界面抗湿性能；(3)采用原子力显微镜技术(AFM)对竹材/树脂的界面区域形貌进行扫描和力学性能测试,分析复合材料纳米尺度范围内的界面特性。论文以竹条(经刨削工艺获得的、具有一定宽度和厚度的竹片材)和乙烯基酯树脂为研究对象,对不同湿度环境下竹条的吸湿特性、复合材料制备过程中的环境湿度对界面粘结强度的影响进行了分析。结果表明：竹条是一种强吸水性材料,其吸湿特性与其它天然纤维(如棉、麻纤维)类似,吸湿后的竹条具有显著的尺寸膨胀性,且其拉伸延展性和弹性模量分别有所提高和降低；随着复合材料制备过程中环境湿度的增加,竹条/已烯基酯树脂的界面粘结强度先呈线性下降,后再突然加速下降。与干燥条件下制备的材料试样的界面粘结强度相比,标准实验室条件下(20±2℃,65±2%RH)获得的竹条增强乙烯基酯复合材料的界面粘结强度只是前者的一半,而在相对湿度为80%RH和90%RH条件下制备的复合材料界面的粘结强度值几乎为零。此现象表明,复合材料制备过程中的环境湿度对其界面粘结强度的影响是极其严重的。为了改善上述现象,需对竹条进行化学改性。采用了碱处理、乙酰化处理、高锰酸钾氧化处理以及硅烷偶联剂处理,分析比较了四种处理方法对竹条吸湿性能及干、湿环境下与乙烯基酯树脂粘结性能的影响。研究表明：乙酰化处理能有效降低竹条的吸湿性(包括各种湿度条件下竹条的平衡含湿率和水分子在竹条中的扩散系数),高锰酸钾氧化和硅烷偶联剂处理对改变竹条的吸湿性能效果不明显,而碱处理提高了竹条的吸湿性能。在竹条/乙烯基酯树脂的粘结性能方面,四种化学改性方法都有效提高了干竹条/乙烯基酯树脂的界面粘结强度,其中,硅烷、乙酰化和高锰酸钾处理的效果较好,但彼此间无统计意义上的显著性差异,而碱处理的效果相对较差；随着制备环境湿度的增加,无论是否通过化学改性,竹条与乙烯基酯树脂间的界面粘结强度都急剧下降。通过对比竹条/乙烯基酯树脂在高湿度制备条件下的界面剪切强度值可知：当环境湿度为80%RH时,除了乙酰化处理的试样,其它所有试样的界面粘结强度值都几乎为零；乙酰化处理试样的界面剪切强度值与未处理试样在40%RH的湿度条件下获得的界面剪切强度值大致相等,也与其它三种化学处理试样在60%RH的湿度条件下获得的界面剪切强度值相等。上述结论表明,由环境湿度引起的复合材料界面粘结性能的降低可通过对竹条进行乙酰化处理得到有效改善。作为对复合材料界面吸湿性能的研究,论文还分析了干燥环境下制备的竹条/乙烯基酯复合材料试样在水中浸泡不同时间后界面粘结强度的变化情况。结果表明：由吸水老化导致的界面粘结强度的下降主要发生在浸泡水中9天内(损失38%)；此后,随着浸泡时间的延长,界面粘结强度值保持稳定,直至浸泡100天后都未发生显著变化。四种化学处理对竹条增强乙烯基酯复合材料吸水老化性能的影响表明：在短浸泡时间内,硅烷处理试样的界面粘结强度值保留情况最好,而随着在水中浸泡时间的延长,乙酰化处理对抗吸水老化性能的效果逐渐体现出来。以上研究中的试样界面粘结强度都是通过竹条抽拔实验测得的。该方法虽能直接地测量界面粘结强度,但是由于界面尺度小,界面相形态复杂,此方法并不能完全表征复合材料界面的本质特性。为此,本课题还采用原子力显微镜中的轻敲模式和纳米压痕技术对干燥竹条／乙烯基酯树脂间的界面形貌和力学性能进行了分析和表征。结果显示：竹条／树脂间存在两种不同形态的界面,即纤维素／树脂界面和木质素／树脂界面；在未改性的竹条／树脂系统中,两者间存在较小的界面相,其树脂—界面—纤维素(或木质素)间的弹性模量分布呈现为非连续的突变；竹条经化学改性后,明显存在着弹性模量介于纤维素(或木质素)和树脂间的过渡区域,且界面处的弹性模量也比未处理试样大。该方法能从纳米尺度上有效地获得竹条／树脂的微观形貌特征和力学性能的分布信息。本课题关于竹条增强乙烯基酯复合材料界面吸湿性能的研究结果,对其它天然纤维增强复合材料也适用,为天然纤维增强复合材料工业化生产提供了参考和借鉴,能较好地实现天然纤维复合材料产品性能的稳定和优化。同时,原子力显微镜的轻敲模式和纳米压痕技术在表征竹条／乙烯基酯树脂界面中的成功应用也为从纳米尺度上表征复合材料界面特性提供了一种可行的表征手段。