木粉—橡胶复合材料界面改性及性能研究

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木质-橡胶复合材料是近年来被提出的一类新型功能复合材料,综合体现人工林高效利用、废旧轮胎无污染循环利用以及提高林产品附加值等方面的价值。本研究以杨木粉、轮胎橡胶和废橡胶粉为原料,采用橡胶混炼-硫化工艺制备木粉-橡胶复合材料,探索木粉添加比例对木粉-橡胶复合材料物理力学性能的影响规律;通过对杨木粉做热处理、碱处理和偶联剂KH550改性处理以及对废橡胶粉表面进行预处理、强酸和强碱改性处理,研究改性后杨木粉以及废橡胶粉对材料界面结合以及性能的影响,并与之前研究的施胶热压工艺压制的木质-橡胶复合材料进行对比,评价橡胶混炼-硫化工艺压制的木粉-橡胶复合材料的工艺与性能。具体研究内容如下:(1)在前期探索出的最佳混炼工艺条件下,利用橡胶混炼-硫化工艺制备木粉-橡胶复合材料,通过研究复合材料外观、加工工艺、物理力学性能、材料内部化学结合情况和微观界面,探讨木粉-橡胶复合材料的各项性能。研究表明:添加木粉不影响成型后复合材料外观,复合材料表面几乎看不到木粉;随着木粉添加量增多,材料加工性能变差,但影响较小;复合材料硬度显著提高,当木粉填入量为50%时,硬度增加53%,从60°升至92°,拉伸强度和断裂伸长率逐渐降低,回弹性下降但下降不多,耐磨性和低温脆性变差;复合材料重量和厚度吸水膨胀率变大,但相比木基材料吸水膨胀率有很大改善;分析复合材料的动态力学性能可见,木粉加入对材料玻璃化转变温度影响不大,材料耐寒性良好,材料刚性增强;由红外波谱发现,复合材料红外波谱类似于橡胶红外波谱,整个过程并没有产生新的官能团,说明木材加入并没有与橡胶发生化学反应;通过扫描电子显微镜观察微观界面发现,木粉和橡胶形成紧密结合,不存在明显裂隙,形成一个连续相。(2)在木粉填入量为20%的条件下,通过热处理、碱处理和偶联剂KH550处理改性木粉,结合材料性能、红外、扫描电镜等分析手段,探讨木粉改性方法对材料界面结合和各项性能的影响。结果表明:杨木粉经热处理,碱处理和KH550处理后,复合材料拉伸强度均有提高,尤其是偶联剂处理和碱处理,碱处理提高6.57%,偶联剂处理提高2.50%;硬度均有提高;回弹性均有提高,其中偶联剂处理提高率最高,为6.76%;耐低温特性均有提高,其中热处理低温脆性温度最低,达-62℃;碱处理提高了复合材料的断裂伸长率;碱处理和偶联剂处理大大提高了材料的耐磨特性,其中碱处理耐磨性提高26.98%,偶联剂处理提高20.63%;分析界面微观结构(SEM)发现碱处理和偶联剂处理的界面结合更好;偶联剂处理和热处理胶粉可以降低复合材料吸水膨胀率,改善吸水性,其中热处理对材料吸水性的改善效果最明显,热处理复合材料24h质量吸水增加率最低仅为0.4%,较未处理木粉降低42.86%。(3)在木粉填入量为20%的条件下,以10%废橡胶粉替换10%的木粉,并对废橡胶粉表面进行预处理、碱处理和酸处理,结合材料物理力学性能、红外、扫描电镜等分析手段,探讨废橡胶粉填入以及废橡胶粉表面改性对材料界面结合的影响。结果表明:随着胶粉加入,复合材料拉伸强度提高18.49%,断裂伸长率提高38.52%,硬度降低,回弹性提高,耐磨性显著提高,提高50.36%;吸水膨胀率下降,复合材料24h厚度吸水膨胀率降低47.78%,24h质量吸水增加率降低27.14%。废橡胶粉经过预处理、碱处理和酸处理后,拉伸强度均提高,其中碱处理提高率最大为12.07%;断裂伸长率均降低;酸处理大大改善耐磨性,提高率为21.74%;分析改性胶粉的红外波谱,发现酸处理改性可以使废橡胶粉表面的活性基团增加,极性增强,而碱处理和预处理并没有明显改变胶粉表面基团。酸处理对吸水膨胀率改善效果显著,24h质量吸水增加率最低为0.4%,降低率为6.38%;对复合材料微观界面观察发现,预处理、碱处理和酸处理废橡胶粉后基体表面平整光滑很多,尤其酸改性橡胶粉,基体表面明显圆滑很多,纤维被橡胶基体紧紧包裹,纤维与基体之间没有间隙。(4)与施胶热压所得木粉-橡胶复合材料相比,混炼硫化而成的木质-橡胶复合材料的外观为整体黑色更加均一;直接利用橡胶作为粘合剂硫化成型,没有胶黏剂引入;材料的工艺更加简单易操作,粉尘污染少;材料弹性更好;材料的2h和24h重量和厚度吸水膨胀率均比热压工艺制得的材料性能优越;分析微观结构,材料的各个结构更加紧凑,黏合性能更好。
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