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随着社会的发展进步,因废弃的石油基高分子物质降解困难造成的“白色污染”,对人类赖以生存的自然环境造成了相当大的危害,在一定程度上影响了人类的衣食住行。近年来,来源于自然界的植物纤维因其密度低、性价比高、资源丰富、可降解、可再生等优点,而被广泛用做复合材料的增强体。罗布麻,除同普通麻纤维一样,具备良好的吸湿、透气和力学性能外,还兼具医疗保健、抗菌、抗紫外线、吸声等诸多优点。聚乳酸(PLA),作为一种可生物降解材料,因其具有优异的力学性能和生物相容性,而在生物医用、纺织和包装材料等领域有着广泛的应用。与罗布麻韧皮纤维复合制备而成的复合材料可以提高产品的整体力学性能,同时兼具有环境友好等优点。
本论文在对罗布麻韧皮纤维基本性能进行表征的基础上,用不同浓度碱液对罗布麻韧皮纤维进行处理,并对处理前后韧皮纤维的基本性能进行分析研究;再以机织方法将罗布麻韧皮纤维织造成平纹结构作为增强材料与聚乳酸基材复合制备复合材料板,并在此过程中确定热压成型方法的最佳工艺参数;对不同处理条件下的罗布麻韧皮纤维增强复合材料板的拉伸性能、弯曲性能和断面形貌进行测试,并进行比较分析;对罗布麻韧皮纤维增强聚乳酸复合材料的介电性能进行测试及分析,具体研究内容和结果结论如下:
首先,对罗布麻韧皮纤维的基本形态结构和性能进行测试和分析,具体包括:罗布麻韧皮纤维的横截面和纵向微观形貌分析、纤维力学性能、热稳定性、结晶度等,并得出结论:罗布麻韧皮纤维横截面为自然向内卷曲状,沿纤维轴向表面有白色固体颗粒分布,纤维的热分解起始温度为 232℃,其束纤维拉伸强度符合两参数的 Weibull分布模型。
其次,采用三种不同质量浓度的 NaOH 溶液对罗布麻韧皮纤维进行表面处理,并对处理前后罗布麻韧皮纤维性能进行比较分析。结果表明,不同浓度碱处理后,韧皮纤维的拉伸强度较未处理时均有增加,其中浓度为50g/L的实验组拉伸强度较未处理组提高64.1%;X射线衍射结果表明,碱处理后由于韧皮纤维中非晶形物质的去除,使得罗布麻韧皮纤维的结晶度提高;扫描电镜(SEM)照片显示,经浓度为50g/L NaOH溶液处理可去除韧皮表面的大部分胶质,该结果与傅里叶红外测试(FTIR)谱图中特征吸收峰的变化一致。
再次,以未处理和经不同浓度碱处理的罗布麻韧皮纤维为增强体与聚乳酸树脂制备复合材料,并对其拉伸、弯曲及断裂后的微观形貌进行对比。经过20g/L碱处理的罗布麻韧皮纤维增强聚乳酸复合材料的拉伸强度达到100.91MPa,而未处理时仅为44.04 MPa,作用效果显著;与此同时,碱处理罗布麻韧皮纤维/聚乳酸复合材料的弯曲强度较未处理时提高了1.4倍。说明碱处理对复合材料的力学性能的提升有积极作用。
最后,针对已有植物纤维增强复合材料在电气领域的应用背景,本论文也对罗布麻韧皮纤维/聚乳酸复合材料的介电性能进行表征,结果显示在 1.5-3.5GHz 的频率范围内,其介电常数随频率的增加而有所降低,从2.37降至2.30;而介电损耗随频率的增加而略有上升,具体数值在0.03-0.05范围内,且经过计算,介电常数符合混合法则。罗布麻韧皮纤维增强复合材料的介电性能研究,可以为此类复合材料在电气领域如电路板、天线基板等的应用提供一定的数据支持。
本论文在对罗布麻韧皮纤维基本性能进行表征的基础上,用不同浓度碱液对罗布麻韧皮纤维进行处理,并对处理前后韧皮纤维的基本性能进行分析研究;再以机织方法将罗布麻韧皮纤维织造成平纹结构作为增强材料与聚乳酸基材复合制备复合材料板,并在此过程中确定热压成型方法的最佳工艺参数;对不同处理条件下的罗布麻韧皮纤维增强复合材料板的拉伸性能、弯曲性能和断面形貌进行测试,并进行比较分析;对罗布麻韧皮纤维增强聚乳酸复合材料的介电性能进行测试及分析,具体研究内容和结果结论如下:
首先,对罗布麻韧皮纤维的基本形态结构和性能进行测试和分析,具体包括:罗布麻韧皮纤维的横截面和纵向微观形貌分析、纤维力学性能、热稳定性、结晶度等,并得出结论:罗布麻韧皮纤维横截面为自然向内卷曲状,沿纤维轴向表面有白色固体颗粒分布,纤维的热分解起始温度为 232℃,其束纤维拉伸强度符合两参数的 Weibull分布模型。
其次,采用三种不同质量浓度的 NaOH 溶液对罗布麻韧皮纤维进行表面处理,并对处理前后罗布麻韧皮纤维性能进行比较分析。结果表明,不同浓度碱处理后,韧皮纤维的拉伸强度较未处理时均有增加,其中浓度为50g/L的实验组拉伸强度较未处理组提高64.1%;X射线衍射结果表明,碱处理后由于韧皮纤维中非晶形物质的去除,使得罗布麻韧皮纤维的结晶度提高;扫描电镜(SEM)照片显示,经浓度为50g/L NaOH溶液处理可去除韧皮表面的大部分胶质,该结果与傅里叶红外测试(FTIR)谱图中特征吸收峰的变化一致。
再次,以未处理和经不同浓度碱处理的罗布麻韧皮纤维为增强体与聚乳酸树脂制备复合材料,并对其拉伸、弯曲及断裂后的微观形貌进行对比。经过20g/L碱处理的罗布麻韧皮纤维增强聚乳酸复合材料的拉伸强度达到100.91MPa,而未处理时仅为44.04 MPa,作用效果显著;与此同时,碱处理罗布麻韧皮纤维/聚乳酸复合材料的弯曲强度较未处理时提高了1.4倍。说明碱处理对复合材料的力学性能的提升有积极作用。
最后,针对已有植物纤维增强复合材料在电气领域的应用背景,本论文也对罗布麻韧皮纤维/聚乳酸复合材料的介电性能进行表征,结果显示在 1.5-3.5GHz 的频率范围内,其介电常数随频率的增加而有所降低,从2.37降至2.30;而介电损耗随频率的增加而略有上升,具体数值在0.03-0.05范围内,且经过计算,介电常数符合混合法则。罗布麻韧皮纤维增强复合材料的介电性能研究,可以为此类复合材料在电气领域如电路板、天线基板等的应用提供一定的数据支持。