纤维素增强聚合物复合材料的制备与力学性能研究

发布时间：2018-01-16 11:44

本文关键词：纤维素增强聚合物复合材料的制备与力学性能研究　出处：《西南交通大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：纤维素是自然界中储量最大的可再生和可降解天然高分子。随着当今自然资源的日益匮乏和人们环境意识的持续增强,纤维素在复合材料中的应用成为各国的研究热点。纤维素增强聚合物复合材料的力学性能强烈地受到纤维素的分散及其与聚合物基体界面结合强度的限制。本论文以天然纤维素增强聚合物复合材料为研究对象,以提高纤维素复合材料力学性能为目的,开展了以下几部分工作。首先用竹纤维素填充改性热固性塑料环氧树脂,制备出不同竹纤维素含量的复合材料并测试其力学性能,发现未经处理竹纤维素的添加降低了复合材料的拉伸强度,这主要是因为竹纤维素与环氧树脂的界面结合强度太低。为此,对竹纤维素分别用稀碱溶液和偶联剂进行预处理,结果发现,经4%NaOH溶液或偶联剂KH560处理后的竹纤维素／环氧树脂复合材料,其拉伸强度和断裂伸长率显著升高,冲击强度小幅下降；纤维素改性处理后的复合材料综合力学性能较纯环氧树脂显著提高,且偶联剂处理优于碱处理的效果。分别用竹纤维素、微晶纤维素和细菌纤维素作为增强材料,采用熔融共混法制备了纤维素／聚乳酸复合材料,研究了三种纤维素填充聚乳酸的力学性能。结果表明：竹纤维素、微晶纤维素和细菌纤维素均能有效提高聚乳酸的杨氏模量和冲击强度,并具有促进聚乳酸结晶的能力。由于竹纤维素和细菌纤维素在聚乳酸中的分散性较差,添加这两种纤维素明显降低复合材料的拉伸强度和断裂伸长率。三种复合材料中,微晶纤维素／聚乳酸具有最佳的综合力学性能,杨氏模量、拉伸强度、冲击强度分别比纯聚乳酸增加44.4、16.4和58.8%。研究了竹纤维素的碱处理和偶联剂处理,以及聚乳酸的马来酸酐接枝改性对聚乳酸基复合材料的界面结合及力学性能的影响。发现4%NaOH溶液处理竹纤维素可显著提高纤维素／聚乳酸复合材料的强度,KH560处理竹纤维素能明显提高复合材料的韧性,而马来酸酐接枝聚乳酸改性在提高复合材料强度和韧性这两方面的能力都处在中间。表征和分析认为,KH560处理竹纤维素和马来酸酐接枝聚乳酸改性提高复合材料力学性能的机理,主要是在聚乳酸和竹纤维素间形成化学键连接,而碱处理竹纤维素是通过劈裂作用使竹纤维素成为更细小完善的纤维,显著增加竹纤维素的表面积和长径比,同时改善聚乳酸对竹纤维素的浸润性。以秸秆纤维素为原料,通过可控溶解制备全纤维素复合材料,研究了不同溶解时间对其力学性能的影响。结果发现,秸秆纤维素溶解时间为4h时获得的全纤维素复合材料具有最佳的力学性能,拉伸强度可达269.9 MPa,断裂伸长率为45.1%,杨氏模量为1.5 GPa。随着秸秆纤维素溶解时间的增加,全纤维素复合材料的再生纤维素基体的连续性增加,而其中纤维素Ⅰ晶型的含量逐渐降低。进一步分析认为,一步法制备全纤维素复合材料的力学性能主要由其中再生纤维素(Ⅱ晶型)形成的连续相基体及其与未溶解的增强体纤维素Ⅰ晶型的比例所控制。当对纤维素原料的溶解时间较短时,全纤维素复合材料的力学性能主要受再生纤维素基体的连续性控制；当原料溶解时间达到一定值之后,全纤维素复合材料的力学性能主要受复合材料中纤维素Ⅰ晶型含量控制。用秸秆纤维素增强再生微晶纤维素,采用两步法制备全纤维素复合材料,研究了对秸秆纤维进行活化预处理和碱处理对全纤维素复合材料结构、形貌和力学性能的影响。往微晶纤维素溶液中直接添加未改性秸秆纤维素,复合材料的力学性能下降。对秸秆纤维素进行活化处理后,全纤维素复合材料的力学性能显著提高,拉伸强度达650.2 MPa(比未改性复合材料提高近6倍),杨氏模量达11.2 GPa,断裂伸长率为10.4%。对秸秆纤维素进行碱处理后,制备的全纤维素复合材料拉伸强度可达568.6 MPa,模量达5.5 GPa,断裂伸长率10.2%。分析认为,对秸秆纤维素进行活化和碱处理,均能提高秸秆纤维素在再生微晶纤维素基体中的分散性,并增强二者间的相互作用和界面结合强度。
[Abstract]:In this paper , the mechanical properties of cellulose / poly lactic acid were studied by using bamboo cellulose , microcrystalline cellulose and bacterial cellulose as reinforcing materials . The tensile strength of the prepared whole cellulose composite material can reach 568.6 MPa , the modulus is 5.5 GPa , and the elongation at break is 10.2 % . The analysis shows that the activation and alkali treatment of the straw cellulose can improve the dispersibility of the straw cellulose in the regenerated microcrystalline cellulose matrix , and enhance the interaction and the interface bonding strength between the two .

【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB332

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