纳米Al2O3/PP柔性木质纤维复合材料制备及性能研究

来源 :中南林业科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yt2099
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木塑复合材料是一种实用的、环保的、可回收利用的绿色生物质材料。木塑复合材料的原料主要是木质纤维和热塑性树脂或其他树脂。木塑复合材料不仅缓解了人们对材料资源的需求问题,还提升了自然资源利用率,解决了废弃塑料难以处理的问题。但木塑复合材料本身相容性很差,木质纤维与塑料难以结合在一起。可通过硅烷偶联剂KH550改性木质纤维来改善木质纤维和聚丙烯(PP)的界面相容性。纳米材料是一类有特殊结构和效应的材料,具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等多种效应。而增塑剂如邻苯二甲酸二辛酯(DOP)则可以赋予木塑复合材料柔性的特征。本文通过添加纳米Al2O3增强木塑复合材料的界面相容性和性能,制得纳米A12O3/PP柔性木质纤维复合材料;同时以纳米Al2O3质量分数和偶联剂质量分数等因素进行单因素实验和正交实验,探索其对复合材料弯曲强度、冲击强度等力学性能的影响;用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、同步热分析仪、X射线衍射仪和扫描电镜(SEM)对纳米Al2O3改性复合材料的组分和结构等进行表征。得出以下结论:(1) FTIR光谱图表明:偶联剂KH550接枝到纳米Al2O3改性后,出现了KH550的特征峰,说明KH550成功接枝改性了纳米Al2O3。其SEM图则表明:纳米Al2O3能与PP有良好结合,并能填充到木质纤维的空隙中,且在复合材料中分散情况良好,分布均匀;经改性后平均粒径达到纳米级别,但仍出现部分团聚现象。(2)单因素实验表明:纳米Al2O3/PP柔性木质纤维复合材料力学性能随着纳米Al2O3质量分数增大会先增大后减小。纳米Al2O3质量为木质纤维质量5%时力学性能最好,复合材料的弯曲强度是38.79MPa,弯曲模量是3817MPa,冲击强度是7.52KJ·M2。复合材料力学性能随着偶联剂添加量的增大会先增大后减小,当偶联剂添加量为木质纤维质量3%时,弯曲强度达到最大37.29MPa,弯曲模量达到最大2788MPa,当偶联剂添加量为木质纤维质量2%时,冲击强度达到最大10.28KJ·M2。复合材料弯曲强度和弯曲模量随着木塑质量比(木质纤维与PP质量比)的增大会先增大后减小,当木塑质量比为40:60时,弯曲强度达到最大为34.74MPa,弯曲模量达最大为2331MPa;复合材料冲击强度随着木塑质量比的增大会减小,为30:70时冲击强度最大是9.80KJ·M2,为50:50时最小是8.33KJ·M2。(3)正交实验表明:纳米A1203质量分数、偶联剂添加量和温度对复合材料力学性能有相对显著的影响。通过正交分析得出最佳实验参数是纳米A1203质量分数为5%、偶联剂添加量为3%、温度为180℃,其弯曲强度为36.61MPa、弯曲模量为2447MPa、冲击强度为10.41KJ·M2、拉伸强度为19.83MPa和断裂伸长率为5.42%。(4) FTIR光谱图推测:木质纤维内纤维素等物质的羟基基团与被KH550改性后的纳米A1203之间发生了羟基间的脱水缩合反应;热重分析图表明纳米A1203能提高复合材料的热稳定性;X射线衍射图表明:纳米A1203能够提高复合材料的结晶度;SEM图表明:纳米A1203主要在出现在复合材料的界面和空隙中,从而提高了复合材料的界面相容性和结构稳定性。添加5%-7%纳米A1203的复合材料出现的团聚体会影响复合材料的结构和性能。
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