论文部分内容阅读
为研究纳米CaCO3增强复合材料界面性能的作用机理以及不同压力等级下复合材料各组分的相对运动对界面的影响,本论文以竹浆纤维和竹粉为主要原料,采用纳米CaCO3浸渍和共混两种改性技术,通过热压(3.42 MPa)、挤出(20±5 MPa)和注塑(106.67 MPa)三种成型工艺及熔融沉积成型(FDM,0 MPa)制备了竹塑复合材料,并对其力学、热学及燃烧性能进行表征和评价,研究了界面结合与流变性能。主要结论如下:(1)浸渍改性技术使CaCO3成功附着到纤维表面,上载量为15 wt%,形成了微纳米级颗粒,降低了“空穴”效应;纤维含量30 wt%时,热压、挤出和注塑三种成型工艺制备复合材料的综合力学性能(弯曲、冲击和拉伸性能)均相对较优;纳米CaCO3改性技术适用于挤出成型,且浸渍改性增强效果优于共混改性。(2)纳米CaCO3改性技术改变了纤维表面分子取向,对基体聚合物的结晶起诱导作用,提高了复合材料的结晶度(CrI)、表观活化能(Ea)和残留量,影响了复合材料的燃烧特性。挤出成型制备复合材料的热变形温度、储能模量、CrI和Ea高于热压和注塑成型;注塑成型制备复合材料的点燃时间最短,热释放速率峰值最高,火灾危险性最大,热压成型制备的复合材料最易燃烧,纳米改性复合材料比对照样难燃。(3)纳米CaCO3改性后,挤出成型制备的复合材料具有亲水性,表面自由能为40-50 mJ/m2;CaCO3填补了竹浆纤维表面的空穴,形成了氢键作用,基于界面机械互锁的结合机理,纳米CaCO3浸渍和共混两种改性技术提高了挤出成型制备复合材料的界面结合性能,且浸渍改性效果较优;挤出成型制备复合材料的弯曲断裂形貌分形特征显著,30 wt%时,分形维数D最大,经拟合验证,弯曲强度与D呈指数函数关系,且误差<10%。(4)热压、挤出和注塑三种成型工艺制备的复合材料均属介孔材料,吸-脱附不完全可逆,吸-脱附等温线闭合表明孔形状和尺寸均匀,无裂隙孔,界面结合好;三种成型工艺制备复合材料的冲击强度具有显著性差异,其与D值的拟合决定系数R2为0.4563;挤出成型制备复合材料的界面性能最好,Ea值最低,分别为124.88 kJ/mol(对照样)和115.99 kJ/mol(纳米CaCO3浸渍改性复合材料),Ea值越低,结构发生改变所需势能最少,而热压成型制备复合材料的界面性能最差,Ea值最高,分别为174.18 kJ/mol(对照样)和143.28 kJ/mol(纳米CaCO3浸渍改性复合材料)。(5)抗氧剂KY1010延长了氧化诱导时间,提高了氧化诱导温度,改善了丝材的抗氧化性能;与其他三种成型工艺相比,零压堆积的FDM制备复合材料的界面结合性能最差;微纳米级CaCO3对丝材拉伸强度的提高优于纳米级和微米级颗粒。(6)与对照样相比,纳米CaCO3浸渍改性和共混改性技术使复合材料的总能量分别降低了 5.92%和2.65%,减少了竹质纤维在复合材料体系中的团聚现象;微纳米颗粒分散性较好,空隙数较少,界面氢键较强,有效构建了相容界面,印证了宏观性能和界面微观性能的研究结果。