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苎麻纤维因其极高的纤维素含量,拉伸断裂强力高、单纤维长,即使在麻类纤维中力学性能也属极优。但是由于纤维素纤维的亲水性与增强树脂的疏水性差异导致两相间界面结合较差,无法有效地将载荷由树脂传导到纤维体上,使纤维增强复合材料的力学性能变差。苎麻纤维的功能化改性是赋予其特殊性能的重要办法,本论文采用原子转移自由基聚合(ATRP)法,让疏水性单体甲基丙烯酸甲酯(MMA)取代苎麻织物上的羟基亲水极性基团,进行疏水化改性,再采用真空袋法制成苎麻/环氧树脂复合材料,为改善复合材料界面性能,开发力学性能优良的复合材料,对纤维增强复合材料界面性能的改善方法提供了新的思路。
具体步骤为先将溴原子以酯基的形式接枝到苎麻纤维素上取代羟基,将苎麻织物制作成苎麻大分子引发剂,再将疏水单体MMA与酯基上的溴原子发生自由基聚合反应对苎麻织物进行疏水化改性。研究疏水性单体MMA浓度、溴化亚铜的浓度、接枝时间和温度的变化对MMA接枝率的影响。采用傅立叶红外光谱仪、织物拉伸断裂强力测试、织物撕破强力测试、织物表面静态水接触角测试和扫描电子显微镜对疏水化改性后的苎麻织物进行表征。并利用真空袋成型的方法制备疏水化改性苎麻/环氧树脂复合材料,测定改性后复合材料在不同接枝率下的拉伸断裂强度、弯曲强度、弯曲模量与冲击强度变化,并利用扫描电子显微镜观察了疏水化复合材料的拉伸断裂形貌。通过观察纤维抽拔状态以及纤维与树脂的结合的情况,分析疏水化改性后苎麻与环氧树脂复合的界面性能。
通过控制变量法调控单一反应参数得到接枝反应规律为MMA接枝率随着单体浓度、时间、温度的增加而增加,随着催化剂浓度的增大而先增大后减小。得到最佳反应条件为MMA浓度为80g/L,催化剂CuBr的浓度为0.24g/L,接枝反应3h,反应温度40℃,接枝率达到28.76%,且织物表面无均聚物产生。观察疏水化改性后苎麻的红外光谱和扫描电镜图,红外吸收波峰的变化以及苎麻织物表面微观形态变化均表明MMA成功接枝到了苎麻织物上。静态水接触角测试在液滴滴落10s后苎麻表面接触角由未处理前的0°提高到了改性后的84.5°,疏水性能大大提高。苎麻织物的拉伸断裂强力随着接枝率的提高逐渐增强,当接枝率为30%时,处理后苎麻的拉伸断裂强力最高达到751N,相比于未改性苎麻织物提高了6.83%。处理后苎麻织物的撕破强力随着接枝率的提高呈先上升后下降的趋势,接枝率为15%时,处理后的苎麻织物撕破强力达到最高13.4N,相比于未改性苎麻布下降了53.15%,改性后苎麻织物的撕破强力下降严重。
改性苎麻/环氧树脂复合材料的各项力学性能均随着接枝率的提高而增大,接枝率为25%的复合材料拉伸强度达到了46.40MPa相比于未改性苎麻/环氧树脂的42.02MPa提高了10.42%;弯曲强度由96.51MPa提高到了104.88MPa,提高了8.61%;弯曲模量由3.45GPa提高到了4.47GPa,提高了29.57%;冲击强度由6.287kJ·m-2提高到了6.957kJ·m-2,提高了10.36%。改性后复合材料的各项力学性能均得到了提升。
使用扫描电子显微镜分析复合材料拉伸断裂形貌。随着接枝率的提高,纤维从树脂中被抽拔出来的现象减少,纤维集团抱合程度增加,树脂对纤维的浸润率提高,复合材料界面性能得到改善。
具体步骤为先将溴原子以酯基的形式接枝到苎麻纤维素上取代羟基,将苎麻织物制作成苎麻大分子引发剂,再将疏水单体MMA与酯基上的溴原子发生自由基聚合反应对苎麻织物进行疏水化改性。研究疏水性单体MMA浓度、溴化亚铜的浓度、接枝时间和温度的变化对MMA接枝率的影响。采用傅立叶红外光谱仪、织物拉伸断裂强力测试、织物撕破强力测试、织物表面静态水接触角测试和扫描电子显微镜对疏水化改性后的苎麻织物进行表征。并利用真空袋成型的方法制备疏水化改性苎麻/环氧树脂复合材料,测定改性后复合材料在不同接枝率下的拉伸断裂强度、弯曲强度、弯曲模量与冲击强度变化,并利用扫描电子显微镜观察了疏水化复合材料的拉伸断裂形貌。通过观察纤维抽拔状态以及纤维与树脂的结合的情况,分析疏水化改性后苎麻与环氧树脂复合的界面性能。
通过控制变量法调控单一反应参数得到接枝反应规律为MMA接枝率随着单体浓度、时间、温度的增加而增加,随着催化剂浓度的增大而先增大后减小。得到最佳反应条件为MMA浓度为80g/L,催化剂CuBr的浓度为0.24g/L,接枝反应3h,反应温度40℃,接枝率达到28.76%,且织物表面无均聚物产生。观察疏水化改性后苎麻的红外光谱和扫描电镜图,红外吸收波峰的变化以及苎麻织物表面微观形态变化均表明MMA成功接枝到了苎麻织物上。静态水接触角测试在液滴滴落10s后苎麻表面接触角由未处理前的0°提高到了改性后的84.5°,疏水性能大大提高。苎麻织物的拉伸断裂强力随着接枝率的提高逐渐增强,当接枝率为30%时,处理后苎麻的拉伸断裂强力最高达到751N,相比于未改性苎麻织物提高了6.83%。处理后苎麻织物的撕破强力随着接枝率的提高呈先上升后下降的趋势,接枝率为15%时,处理后的苎麻织物撕破强力达到最高13.4N,相比于未改性苎麻布下降了53.15%,改性后苎麻织物的撕破强力下降严重。
改性苎麻/环氧树脂复合材料的各项力学性能均随着接枝率的提高而增大,接枝率为25%的复合材料拉伸强度达到了46.40MPa相比于未改性苎麻/环氧树脂的42.02MPa提高了10.42%;弯曲强度由96.51MPa提高到了104.88MPa,提高了8.61%;弯曲模量由3.45GPa提高到了4.47GPa,提高了29.57%;冲击强度由6.287kJ·m-2提高到了6.957kJ·m-2,提高了10.36%。改性后复合材料的各项力学性能均得到了提升。
使用扫描电子显微镜分析复合材料拉伸断裂形貌。随着接枝率的提高,纤维从树脂中被抽拔出来的现象减少,纤维集团抱合程度增加,树脂对纤维的浸润率提高,复合材料界面性能得到改善。