植物纤维增强环氧树脂复合材料界面改性研究进展
发布时间：2021-10-11 13:33
【目的】植物纤维增强环氧树脂复合材料可设计性强、比强度高,还兼备生态友好、原料来源丰富、制造成本低廉等优势,已得到广泛应用。但相对于传统的合成纤维和矿物纤维,植物纤维的表面羟基具有极性和亲水特性,其与环氧树脂基体间的界面相容性差,影响了界面与两侧单元之间应力传递,造成产品的力学性能与耐久性较差,最终引起材料受载荷作用时易发生分层、断裂现象,限制了此类材料进一步发展与应用,因此界面改性技术是植物纤维增强环氧树脂复合材料发展与应用的关键技术瓶颈。【方法】综述了近几年国内外植物纤维增强环氧树脂界面改性方法的研究进展,并将界面改性方法归纳为植物纤维改性、界面填充、环氧树脂改性三大类,具体的改性方法包括碱处理改性、乙酰化改性、界面耦合改性、高锰酸盐改性、热处理、离子蚀刻处理、纳米粒子改性和环氧树脂稀释等。【结果】其中以覆盖或减少植物纤维表面羟基、增加植物纤维的比表面积为主要改性方法开展详细论述,并阐述了界面填充改性和环氧树脂改性的界面改性技术。【结论】总结了各类改性方法对复合材料力学性能的增强效果,提出了植物纤维/环氧树脂界面研究中面临的问题与展望,包括植物纤维单元体系化研究、环氧树脂固化剂多样...
【文章来源】：中南林业科技大学学报. 2020,40(07)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
植物纤维常压连续浸渍环氧树脂分布
Huang等[12]利用RTM成型工艺制备连续竹纤维/环氧复合材料，结果表明，虽然随着碱处理的进行，竹原纤维的强度降低，但是界面改善碱处理竹纤维增强环氧复合材料的抗拉强度依然优于未处理竹纤维复合材料。Kushwaha等[13]分析了不同NaOH溶液浓度对竹纤维毡/环氧复合材料拉伸、弯曲和韧性的影响。结果发现，用5%NaOH溶液处理竹垫30 min，可获得最佳处理效果，Yan等[14]基于此进一步研究了最佳碱处理对亚麻、竹织物增强环氧树脂界面形貌和力学性能的影响。结果表明：与未处理的亚麻、竹织物/环氧复合材料相比，处理后的复合材料的拉伸强度和弯曲强度至少提高了18.7%和13.6%，且拉伸断口表面表现出纤维/环氧界面粘着性能的改善。为了改善竹纤维/环氧树脂的界面结合强度，Zhang等[15]采用不同质量浓度的NaOH溶液对竹纤维进行处理并制备单纤维包埋试样与竹纤维增强环氧树脂复合材料，采用单纤维拔出、傅里叶变换红外光谱和扫描电子显微镜对改性效果进行了研究，结果表明由于碱处理去除纤维表面暴露羟基的杂质，使得界面相机械联锁部分和氢键数量增加，附着力增强，纤维与基体间的界面剪切强度明显改善，甚至出现“颈缩”现象。另外，天然纤维碱处理对环氧复合材料改善在棕榈纤维[16]、剑麻纤维[17]、亚麻纤维[18-19]实验中也得到了验证。1.1.2 乙酰化处理
植物纤维增强环氧树脂复合材料中，环氧树脂基体除了作为粘结剂将负载转移之外，还能够保护纤维免受环境攻击[57]。为了提高植物纤维与环氧树脂的界面连接，在尽可能保持植物纤维的形态和强度的基础上，合适的基体选择与处理对植物纤维增强复合材料的性能与应用具有决定性作用。一方面，直接在植物纤维表面涂覆改性剂；另一方面，在避免固化交联时集中放热的基础上，加入同极性材料或者增强材料，调节树脂黏度促进纤维浸润，增强界面与基体力学与热学等性能。Shen等[58]通过羧基化碳纳米管改性环氧树脂基体，采用热压工艺制备苎麻纤维增强环氧树脂复合材料。结果表明，在环氧树脂基体中添加质量分数0.6%的碳纳米管时，力学上促进了纤维和基质间的负载转移，提高界面弯曲性能；热学上限制了聚合物链段在高应变速率下的运动性，提高了复合材料的的玻璃化转变温度和耐热性。Ngo等[25]通过在环氧树脂中加入植物油对纤维/环氧树脂基体界面进行了改性。结果表明，与不加油的环氧复合材料相比，其伸长率提高了50%，与不加纤维增强的普通环氧树脂的延性水平相当。这一观察结果表明，松油的加入可能使纤维/基体界面具有更高的灵活性，使纤维在断裂前能够更自由地拉伸。Sahoo等[59]研究表明，植物油改性环氧树脂对剑麻纤维产生了更好的界面附着力，降低了水与环氧共混物和复合材料的接触角，使得复合材料表面粗糙度下降。
【参考文献】：
期刊论文
[1]快速固化碳纳米管/苎麻纤维/环氧树脂复合材料层板的制备与性能[J]. 张靠民,谢涛,赵焱,董祥,李如燕. 材料导报. 2018(24)
[2]纳米CaCO3对其改性木塑复合材料动态流变性能研究[J]. 袁宁,罗迎社,胡云楚. 中南林业科技大学学报. 2018(07)
[3]碱处理和冷等离子体处理对苎麻纤维性能的影响[J]. 刘璇,成玲. 上海纺织科技. 2017(06)
[4]碳纤维表面改性及其对碳纤维/树脂界面影响的研究进展[J]. 杨平军,袁剑民,何莉萍. 材料导报. 2017(07)
[5]纳米CaCO3增强竹浆纤维/环氧树脂复合材料的动态力学性能[J]. 王翠翠,程海涛,羡瑜,王戈,张双保. 农业工程学报. 2017(06)
[6]原子力显微镜表征纤维增强聚合物复合材料的界面相概述[J]. 刘顺义,孙书冬,王文峰,周旭,邢博. 材料导报. 2016(S2)
[7]氮化硼/环氧树脂绝缘导热材料的制备及性能表征[J]. 马振宁,钟博,王培侨,王逊,汪青杰. 材料导报. 2016(12)
[8]碱处理对竹纤维及竹纤维增强聚丙烯复合材料性能的影响[J]. 王春红,刘胜凯. 复合材料学报. 2015(03)
[9]等离子体处理碳纤维/树脂复合材料[J]. 倪新亮,金凡亚,沈丽如,童洪辉. 复合材料学报. 2015(03)
[10]利用DBD等离子体处理技术制备Fe3O4/云南松磁性复合材料[J]. 王洪艳,杜官本,郑荣波. 中南林业科技大学学报. 2014(03)
硕士论文
[1]纤维表面处理及增强环氧树脂复合材料的研究[D]. 罗云.湖南大学 2016
本文编号：3430608
【文章来源】：中南林业科技大学学报. 2020,40(07)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
植物纤维常压连续浸渍环氧树脂分布
Huang等[12]利用RTM成型工艺制备连续竹纤维/环氧复合材料，结果表明，虽然随着碱处理的进行，竹原纤维的强度降低，但是界面改善碱处理竹纤维增强环氧复合材料的抗拉强度依然优于未处理竹纤维复合材料。Kushwaha等[13]分析了不同NaOH溶液浓度对竹纤维毡/环氧复合材料拉伸、弯曲和韧性的影响。结果发现，用5%NaOH溶液处理竹垫30 min，可获得最佳处理效果，Yan等[14]基于此进一步研究了最佳碱处理对亚麻、竹织物增强环氧树脂界面形貌和力学性能的影响。结果表明：与未处理的亚麻、竹织物/环氧复合材料相比，处理后的复合材料的拉伸强度和弯曲强度至少提高了18.7%和13.6%，且拉伸断口表面表现出纤维/环氧界面粘着性能的改善。为了改善竹纤维/环氧树脂的界面结合强度，Zhang等[15]采用不同质量浓度的NaOH溶液对竹纤维进行处理并制备单纤维包埋试样与竹纤维增强环氧树脂复合材料，采用单纤维拔出、傅里叶变换红外光谱和扫描电子显微镜对改性效果进行了研究，结果表明由于碱处理去除纤维表面暴露羟基的杂质，使得界面相机械联锁部分和氢键数量增加，附着力增强，纤维与基体间的界面剪切强度明显改善，甚至出现“颈缩”现象。另外，天然纤维碱处理对环氧复合材料改善在棕榈纤维[16]、剑麻纤维[17]、亚麻纤维[18-19]实验中也得到了验证。1.1.2 乙酰化处理
植物纤维增强环氧树脂复合材料中，环氧树脂基体除了作为粘结剂将负载转移之外，还能够保护纤维免受环境攻击[57]。为了提高植物纤维与环氧树脂的界面连接，在尽可能保持植物纤维的形态和强度的基础上，合适的基体选择与处理对植物纤维增强复合材料的性能与应用具有决定性作用。一方面，直接在植物纤维表面涂覆改性剂；另一方面，在避免固化交联时集中放热的基础上，加入同极性材料或者增强材料，调节树脂黏度促进纤维浸润，增强界面与基体力学与热学等性能。Shen等[58]通过羧基化碳纳米管改性环氧树脂基体，采用热压工艺制备苎麻纤维增强环氧树脂复合材料。结果表明，在环氧树脂基体中添加质量分数0.6%的碳纳米管时，力学上促进了纤维和基质间的负载转移，提高界面弯曲性能；热学上限制了聚合物链段在高应变速率下的运动性，提高了复合材料的的玻璃化转变温度和耐热性。Ngo等[25]通过在环氧树脂中加入植物油对纤维/环氧树脂基体界面进行了改性。结果表明，与不加油的环氧复合材料相比，其伸长率提高了50%，与不加纤维增强的普通环氧树脂的延性水平相当。这一观察结果表明，松油的加入可能使纤维/基体界面具有更高的灵活性，使纤维在断裂前能够更自由地拉伸。Sahoo等[59]研究表明，植物油改性环氧树脂对剑麻纤维产生了更好的界面附着力，降低了水与环氧共混物和复合材料的接触角，使得复合材料表面粗糙度下降。
【参考文献】：
期刊论文
[1]快速固化碳纳米管/苎麻纤维/环氧树脂复合材料层板的制备与性能[J]. 张靠民,谢涛,赵焱,董祥,李如燕. 材料导报. 2018(24)
[2]纳米CaCO3对其改性木塑复合材料动态流变性能研究[J]. 袁宁,罗迎社,胡云楚. 中南林业科技大学学报. 2018(07)
[3]碱处理和冷等离子体处理对苎麻纤维性能的影响[J]. 刘璇,成玲. 上海纺织科技. 2017(06)
[4]碳纤维表面改性及其对碳纤维/树脂界面影响的研究进展[J]. 杨平军,袁剑民,何莉萍. 材料导报. 2017(07)
[5]纳米CaCO3增强竹浆纤维/环氧树脂复合材料的动态力学性能[J]. 王翠翠,程海涛,羡瑜,王戈,张双保. 农业工程学报. 2017(06)
[6]原子力显微镜表征纤维增强聚合物复合材料的界面相概述[J]. 刘顺义,孙书冬,王文峰,周旭,邢博. 材料导报. 2016(S2)
[7]氮化硼/环氧树脂绝缘导热材料的制备及性能表征[J]. 马振宁,钟博,王培侨,王逊,汪青杰. 材料导报. 2016(12)
[8]碱处理对竹纤维及竹纤维增强聚丙烯复合材料性能的影响[J]. 王春红,刘胜凯. 复合材料学报. 2015(03)
[9]等离子体处理碳纤维/树脂复合材料[J]. 倪新亮,金凡亚,沈丽如,童洪辉. 复合材料学报. 2015(03)
[10]利用DBD等离子体处理技术制备Fe3O4/云南松磁性复合材料[J]. 王洪艳,杜官本,郑荣波. 中南林业科技大学学报. 2014(03)
硕士论文
[1]纤维表面处理及增强环氧树脂复合材料的研究[D]. 罗云.湖南大学 2016
本文编号：3430608
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