剑麻纤维的表面改性及其剑麻纤维/聚合物复合材料的制备研究

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本论文采用碱处理、蒸汽爆破处理、接枝处理对剑麻纤维(SF)进行表面改性,采用滴定分析技术、FTIR、TG、DSC、WAXD、SEM等手段对改性后的SF进行结构表征。采用辊炼、模压成型方法制备了剑麻纤维/玻璃纤维/不饱和聚酯(SF/GF/UP)、剑麻纤维/玻璃纤维/酚醛树脂(SF/GF/PF)两种复合材料,采用材料的静态力学性能、动态力学性能、等研究方法,研究了SF的含量、处理方式对复合材料结构和性能的影响。 得出以下结论: (1)改性SF的红外光谱分析结果表明,纤维与马来酸酐已成功发生接枝反应;滴定分析结果表明,纤维长度在0~5mm范围时,接枝效果较为理想,特别是经蒸汽爆破处理后,接枝率比未处理时提高了1倍多。改性后纤维的热稳定性有一定程度的提高,但接枝改性对纤维表观结晶度的提高没有贡献。SEM观察说明,蒸汽爆破处理使纤维形态结构发生较大变化,比表面积增大,活性增强,有利于酯化反应的进行。 (2)力学性能测试结果表明,SF的含量对SF/GF/UP复合材料性能有一定的影响。随着SF用量的增大,复合材料的比强度和比模量呈增加的趋势,而冲击强度和弯曲强度则有一定程度的下降。当SF与GF质量比为1:1时,与未加SF的材料相比,磨损体积减少了48.2%,表观分解温度提高了近26℃,而最终残留量则减少了10.2%。但SF含量对复合材料线膨胀系数和硬度影响较小,而随着SF用量的增加,复合材料的吸水量也逐渐增加,耐水性变差。流变性能测试结果说明,复合材料熔体属于非牛顿型流体,呈现“剪切变稀”现象。 (3)SF的处理方式对SF/GF/UP复合材料性能有较大的影响。测试结果表明,含蒸汽爆破处理后接枝SF的复合材料,其比强度和比模量最高,分别达到33.05 MPa·cm<'3>/g,4475.37 MPa·cm<'3>/g。同时,与未处理纤维复合材料相比,冲击强度提高了16%,磨损体积减少了71.6%,表观分解温度提高了近20℃,但对复合材料的最终残留量影响很小。此种复合材料拥有较小的线膨胀系数和吸水量,但刚性较大,流动性能下降。 (4)SF的含量对SF/GF/PF复合材料性能也有较显著的影响。当SF与GF质量比为1:1时,复合材料的冲击强度为5.77KJ/m<'2>,磨损体积为2.0mm<'3>,与未加SF时相比,冲击强度提高了25%,而磨损体积则减少66.1%,耐磨性能大大提高。DMA测试结果表明,复合材料的损耗峰向高温方向发生移动,比未加入SF时约提高了12℃。同时,低温损耗峰强度下降,复合材料的耐寒性能提高。但SF含量对复合材料硬度影响较小,随着SF加入量增加,复合材料的耐水性能逐渐变差。 (5)材料冲击断面SEM结果表明,未处理SF与基体树脂粘结性差,而蒸汽爆破后接枝SF能与不饱和聚酯通过化学键连接在一起,形成良好的界面粘结。而磨损形貌SEM结果说明,随着复合材料中SF用量的增加,复合材料的磨损机理从粘着磨损为主转换为以疲劳磨损为主,辅以微量的粘着磨损;蒸汽爆破后接枝SF的复合材料,具有良好的耐磨性能。
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