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本论文以剑麻纤维(SF)和聚丙烯(PP)为主要原料,通过熔融共混-模压成型法制备SF/PP木塑复合材料。研究了复合材料的制备以及自制柔性链段大分子偶联剂、CaSO4晶须对复合材料结构和性能的影响,并研究了复合材料的非等温结晶动力学行为和耐磨损、耐老化性能。采用SEM、DSC、TG、FTIR、WAXD等测试手段对复合材料的结构和性能进行表征。
主要研究结果如下:
1.复合材料的填料配方研究发现,CaCO3、POE—g—MAH和PP—g—MAH的添加量分别为15 wt%、10wt%和5wt%时材料的综合性能较理想,冲击强度最大可达21,99 kJ·m—2。SF的预处理方式、长度和用量对材料的力学性能影响明显。其中SF经碱处理和蒸汽爆破处理、长度为5~8 mm、用量20wt%时冲击强度相对较大,CaSO4晶须的加入也使复合材料的冲击强度得到提高。
2.成了大分子硅烷偶联剂,并通过FT—IR对其结构进行表征,分析作用机理是其水解后两端含有硅醇,可以与SF表面大量的羟基基团发生作用形成氢键和Si—O共价键,起“分子桥”的作用,提高了SF与PP的界面相容性。
3.热稳定性和晶态结构的研究研究结果表明:随着SF含量的增加,SF/PP复合材料的最大热分解温度逐渐增大;SF经大分子偶联剂处理后,复合材料的热分解温度提高,PP相的结晶速率和结品度地有提高;CaSO4晶须的加入也提高复合材料的热稳定性,但阻碍了PP相的结晶,降低了PP的结晶度。SF、自制大分子偶联剂和CaSO4晶须对PP晶态结构影响不大,PP仍是典型的α晶型。
4.非等温结晶动力学行为研究表明:随着SF含量的增加结晶速率和结晶度呈上升趋势,SF在PP结晶过程中起到结晶成核剂的作用。Jeziorny法和Mo法都可以很好地分析复合材料的非等温结晶动力学。由Jeziorny法计算得出了SF/PP的Zc值随降温速率的增大而增大,t1/2随降温速率的增大而降低,通过Kissinger方法计算可得非等温结晶过程的活化能为198.5 kJ·mol-1。
5.热氧老化和浸水试验发现,SF/PP复合材料的力学性能随老化和浸水时间的延长而下降,热氧老化对PP相影响严重,而水分对复合材料的质量、尺寸稳定性以及力学性能影响严重。
6.SEM分析表明:碱处理和蒸汽爆破处理可除去SF表面的杂质,纤维结构发生变化。试样冲击断面SEM显示增容剂PP—g—MAH明显提高了SF与PP的界面枯结性;自制大分子偶联剂使复合材料的断裂方式发生了改变,改善了界面相容性;CaSO4晶须在树脂基体中分散均匀,与SF、弹性体共同起延缓裂纹发展的作用,达到协同增韧的效果。磨损表面的SEM分析表明,PP磨损表面存在明显的犁沟和粘着脱落现象,主要为磨粒磨损和粘着磨损,SF/PP复合材料中SF具有一定的承载作用,大大降低了粘着磨损,从而表现出优良的耐磨性能。
总之,本研究对开发利用丰富的废剑麻纤维,制备环保无甲醛木塑建筑装饰材料,提高SF产品的附加值,具有重要的理论研究意义和实际开发价值。