植物纤维具有许多合成纤维无法比拟的优点,利用其增强可生物降解聚合物聚乳酸(PLA),不仅可拓宽PLA的应用范围,降低其成本,而且对实现可持续发展具有重要的意义。由于天然纤维素分子间和分子内部存在着强烈的氢键作用,导致植物纤维与PLA的界面粘合性极差。为了得到性能优良、符合要求的植物纤维复合材料,通常在复合材料制备之前对植物纤维进行预处理,以改善植物纤维与基体材料之间的界面相容性。但是目前常用的预处理方法,虽提高了植物纤维与PLA的界面粘结,但在去除部分化学组分的同时也对纤维自身的结构和性能造成了破坏,导致其无法有效地增强聚合物基体。本文对剑麻纤维(SFs)进行不同时间的碱处理,研究了预处理对纤维的化学组分含量、结构、力学性能及纤维与聚乳酸的界面性能的影响。在此研究基础上将未处理剑麻纤维(USFs)和预处理剑麻纤维(ASFs)混合成混杂剑麻纤维(HSFs),然后将其和PLA基体共混制备了混杂剑麻纤维增强聚乳酸复合材料(PLA/HSFs),详细研究了PLA/HSFs的性能。另外,本文基于现有复合材料成型加工中存在的一系列缺陷,提出了一种新的制备植物纤维增强聚合物基复合材料的成型工艺——纤维缠绕成型工艺CFWP,其设备及工艺简单,能耗低,能够实现长纤维的连续增强和高含量纤维的填充增强。本文的主要工作及研究成果如下:(1)基于化学组分的变化,详细研究了预处理对纤维的结构、力学性能及纤维与聚乳酸的界面性能的影响,明确了半纤维素与木质素适量存在的积极意义,获得了剑麻纤维组成对形貌、结构、性能及复合材料界面的影响规律。使用纤维组分分析仪分析了SFs中纤维素、半纤维素和木质素的含量随碱处理时间而发生的变化,并通过傅里叶红外光谱仪(FTIR)和X射线衍射仪(XRD)研究了SFs的微观结构的变化。采用万能力学试验机分别测试了不同SFs的拉伸强度,及其与PLA的界面强度。结果表明:随着处理时间的增加,纤维素的含量逐渐增大,半纤维素的含量逐渐减小,而木质素的含量先迅速减小后趋于稳定;碱处理1小时后纤维素开始发生降解,微纤丝角变小。未处理纤维USFs的拉伸强度最高,而在碱处理时间为1 h时,ASFs与PLA的界面强度最高,控制预处理的时间使木质素和半纤维素适当保留对纤维和纤维与界面的粘结都是有利的。剑麻纤维的结晶度随着碱处理时间的增加而增大;而半纤维素的相对含量与剑麻纤维的结晶度呈现近似线性负相关关系,木质素的适量存在对于SFs与PLA的界面粘合更加有利。(2)设计了具不同纤维素、半纤维素及木质素组成的混杂剑麻纤维增强聚合物复合材料,研究其力学性能研究,并得到了具最佳力学性能的剑麻纤维增强聚乳酸复合材料,及此时纤维中各成分的组成比例。并基于此,修正了目前广泛应用的预测短纤维增强聚合物复合材料拉伸强度的COX剪滞模型。把具有最好力学性能的USFs,与和PLA具有最佳界面粘接的碱处理纤维ASF1h按照十二种不同比例混杂制备混杂剑麻纤维HSFs,然后将其与PLA共混制成剑麻纤维增强聚乳酸复合材料(PLA/HSFs),并研究了不同混杂比下复合材料的力学性能和三种组分含量的差异。研究表明:采用HSFs增强PLA可以取得良好的力学性能,其增强效果要好于采用单一纤维,PLA/HSFs复合材料的力学性能相较于纯PLA,除拉伸强度略低外,其拉伸模量、弯曲强度、模量和冲击强度均有不同程度的提高。随着USFs和ASF1h的混杂比增大,复合材料的力学性能呈现先增大后减小的趋势;当USFs和ASF1h的混杂比为4:6时,PLA/HSFs具有最佳的力学性能,此时HSFs中三种主要组分(纤维素、半纤维素和木质素)的总含量分别为71.4%、16.6%和12.0%。另外,考虑到界面性能的重要影响,对目前常用的预测纤维增强聚合物复合材料拉伸强度的COX剪滞模型进行了修正,引入了与界面性能有关的参数。(3)研究了混杂纤维增强聚乳酸复合材料的热性能、动态力学性能、流变性能及界面性能,进一步探讨了剑麻纤维及混杂剑麻纤维对PLA的增强机理。借助差示扫描热量分析仪(DSC)、XRD、热重分析仪(TG)和SEM等,全面对比、研究了PLA/HSFs、PLA/USFs和PLA/ASFs复合材料的热性能和界面性能的影响,进一步探讨HSFs对PLA的增强机理。实验发现:三种复合材料的热稳定性均低于纯PLA,但PLA/HSFs的热稳定性要优于PLA/USFs和PLA/ASFs;三种复合材料的结晶度均高于纯PLA,而PLA/HSFs的结晶度最高;退火处理可以同时提高材料晶体的完善程度、材料的玻璃化转变温度和结晶度。SFs的加入加快了PLA的成核过程,缩短了PLA的成核周期。PLA基体中加入SFs后,在纤维周围出现了高模量的横晶,另外在PLA/USFs和PLA/HSFs两种复合材料中还出现了新的晶体类型β晶体。β晶体的出现是复合材料的冲击强度和热稳定性较高的原因之一。SEM发现,HSFs与PLA基体的界面粘结良好,且在基体中的分散较为均匀,纤维断面的形貌平整,表明纤维在冲击断裂的过程中承受了更多的外力。(4)基于现有复合材料成型加工中存在的一系列缺陷,提出了一种新的制备植物纤维增强聚合物基复合材料的成型工艺——纤维缠绕成型工艺CFWP,也据此设计了一整套实验装置,并制备了长剑麻纤维缠绕增强聚乳酸复合材料PLA/CWSFs,并将其与预浸渍技术制备的复合材料PLA/PSFs和开炼压制制备的PLA/ASFs做了对比,研究了其力学性能。此外,在传统的长纤维增强复合材料预测模型的基础上,引入了取向因子,并结合Fukuda的取向因子的计算方法,对本文中的PLA/PSFs和PLA/CWSFs的拉伸强度进行了预测。研究表明:虽然PLA/CWSFs的拉伸性能低于预浸渍技术制备的复合材料PLA/PSFs,但是其弯曲性能和冲击性能均比采用预浸渍技术制备的复合材料要高。采用CFWP制备不同含量的SFs增强PLA复合材料发现,SFs的含量增加时,其对复合材料力学性能的增强作用也越来越明显。但是当复合材料内SFs质量分数超过40%时,拉伸强度和拉伸模量的上升幅度很小,而弯曲性能及冲击性能会出现小幅的下降。