纤维表面处理对苎麻增强聚丙烯复合材料界面性能及老化性能的影响

发布时间：2017-08-05 11:14

  本文关键词：纤维表面处理对苎麻增强聚丙烯复合材料界面性能及老化性能的影响

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【摘要】：玻璃纤维复合材料虽然由于力学性能优良、成本较低等优势而得到广泛应用,但也造成了一些环境问题。在玻璃纤维的生产过程中存在着耗能大的问题,在其废弃后也给生态环境带来沉重的负担。在世界各国倡导低碳环保的今天,环境友好的天然纤维增强复合材料的发展已经成为一个必然的趋势。由于天然纤维增强复合材料的天然纤维与树脂间的粘合性能差,本文主要针对苎麻纤维增强聚丙烯复合材料的界面性能。通过乙醇预处理和常压等离子体处理对苎麻纤维进行表面改性,从而改善复合材料的界面性能。在此基础上,进一步研究了复合材料的水老化性能,并建立模型对界面破坏机理进行探讨。具体研究内容如下:(1)本文对苎麻纤维进行不同功率的等离子体处理。苎麻纤维经过乙醇预处理后,分别用120 W,140 W,160 W的等离子体进行处理。测试并比较处理前后的单纤维强度和水接触角,数据表明,处理后的纤维强度无明显变化,纤维表面由亲水变为疏水。通过环境扫描电镜(ESEM)观察处理前后表面形貌的变化,可以明显看到等离子体处理后的纤维表面凹坑和碎片变多,且处理功率越大,表面越粗糙。采用X射线光电子能谱分析(XPS)表面化学元素及化学键的变化,处理过后的纤维o/c明显下降,而且c-c键含量明显增加,c-o键和c=o键减少。(2)将不同功率等离子体处理的苎麻纤维用液滴包埋纤维法制成苎麻/pp(聚丙烯)微复合材料。优化了微滴抽拔时的拉伸速率,数据表明,拉伸速率为5mm/min时,拉伸力值比较稳定。通过扫描电镜(sem)表征微滴抽拔前后界面形貌,通过界面剪切强度(ifss)来表征复合材料界面力学性能。结果表明,120w等离子体处理组的ifss相对于未处理组提高了30%,提升最为显著,而140w和160w处理后的样品提升不明显。sem的分析也表明,120w处理的纤维脱粘后的表面有树脂残留,其余组的纤维脱粘后表面相对光滑,此结果与上述ifss的结果相符。(3)根据上述实验结论,选用120w的等离子体处理苎麻纤维,比较处理组和未处理组在40℃的水老化后的性能。两组材料的ifss在15min后均剧烈下降,时间愈长下降愈明显,并在一定时间后趋于稳定。这说明复合材料在吸水过程中界面逐渐破坏,纤维也开始慢慢降解。(4)建立复合材料界面破坏的模型,并采用上述水老化的实验参数,推导出界面破坏的纤维临界吸水率,计算结果得出当纤维吸水率达到65.65%时,界面被破坏。综合本文的研究结果,乙醇预处理及等离子体处理技术能有效改善苎麻/pp复合材料的界面性能,功率在120w时,ifss提高可达到30%,通过sem对纤维抽拔后的观察,结果与ifss结果相符;此外,IFSS的值在水老化15 min后显著下降并最终趋于稳定;通过提取水老化参数,代入所建界面破坏模型,推导出当纤维吸水率达到65%时,界面被破坏。本文的研究内容对天然纤维增强复合材料的界面及老化的研究提供了新的思路和方法,同时也为此领域的研究提供了一定的数据基础。
【关键词】：等离子体处理 界面改性 力学性能 复合材料 水老化
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB332
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-21
• 1.1 引言10
• 1.2 天然纤维增强热塑性复合材料10-15
• 1.2.1 天然纤维增强热塑性复合材料的特点11-12
• 1.2.2 天然纤维增强热塑性复合材料的分类12-14
• 1.2.3 天然纤维增强热塑性复合材料的成型工艺14-15
• 1.3 天然纤维增强热塑性复合材料的发展与应用15
• 1.4 苎麻增强聚丙烯复合材料15-18
• 1.4.1 苎麻增强聚丙烯复合材料的特点15-16
• 1.4.2 苎麻增强聚丙烯复合材料的界面性能16-17
• 1.4.3 苎麻增强聚丙烯复合材料的研究现状17-18
• 1.5 本课题的研究目的和意义18-19
• 1.6 本课题研究的主要内容19-21
• 第二章 苎麻纤维的表面处理21-36
• 2.1 实验部分21-27
• 2.1.1 实验材料21
• 2.1.2 样品制备及常压等离子体（APPJ）处理21-23
• 2.1.3 苎麻单纤维强度测试23-25
• 2.1.4 环境扫描电镜（ESEM）测试25-26
• 2.1.5 X射线光电子能谱（XPS）测试26
• 2.1.6 润湿性测量26-27
• 2.1.7 数据分析27
• 2.2 结果与讨论27-34
• 2.2.1 苎麻单纤维强度分析27-29
• 2.2.2 SEM分析29-30
• 2.2.3 XPS分析30-32
• 2.2.4 纤维表面润湿性分析32-34
• 2.3 本章小结34-36
• 第三章 等离子体处理对苎麻/PP界面性能的影响36-46
• 3.1 拉伸速率的选取36-40
• 3.1.1 实验材料36
• 3.1.2 微球样品准备36-38
• 3.1.3 微球脱粘实验38
• 3.1.4 实验结果与讨论38-40
• 3.2 不同功率APPJ处理的苎麻纤维微复合材料的抽拔实验40-45
• 3.2.1 样品制备及APPJ处理40
• 3.2.2 IFSS的计算40-41
• 3.2.3 SEM分析41-42
• 3.2.4 实验结果与讨论42-45
• 3.3 本章小结45-46
• 第四章 苎麻增强聚丙烯微复合材料的水老化及模型建立与验证46-54
• 4.1 微复合材料的水老化实验46-48
• 4.1.1 实验材料46
• 4.1.2 样品制备及水浴老化46-47
• 4.1.3 IFSS测试与分析47-48
• 4.2 界面破坏模型的建立与验证48-53
• 4.2.1 界面破坏模型的建立48-53
• 4.2.2 界面破坏模型的验证53
• 4.3 本章小结53-54
• 第五章 结论与展望54-56
• 5.1 本文主要结论54-55
• 5.2 后续研究展望55-56
• 参考文献56-59
• 攻读学位期间研究成果59-60
• 致谢60

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本文编号：624589