木塑复合材料增韧性能的研究

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在木塑复合材料中,较低的抗冲击强度是制约其应用的一大因素。聚丙烯本身具有较低的抗冲击强度,当加入木粉以后,复合材料的抗冲击强度会发生大幅降低,而且随着木粉加入量的增加呈现出持续降低的趋势。本文以高木粉含量的木粉/聚丙烯复合材料为研究对象,其中木粉含量为60%,首先研究了铝酸酯对木粉的活化作用,得出铝酸酯的最佳用量以及处理效果;然后采用乙烯-1-辛烯共聚物弹性体(POE)、纳米CaCO3以及木纤维作为增韧改性剂,研究了这三种增韧改性剂对复合材料力学性能的影响,并采用正交试验,研究它们之间的协同效应。此外,还使用了动态力学热分析仪、扫描电子显微镜以及流变仪对增韧改性后的复合材料进行研究,以期了解木塑复合材料的增韧机理。研究结果如下:1.使用铝酸酯偶联剂处理木粉可以有效地降低木粉/石蜡体系的粘度以及木粉的吸油值,同时能够增加木粉的活化度,这说明在经过铝酸酯处理以后,木粉具有更好的亲油疏水性;研究表明铝酸酯的最佳用量为2%。使用X射线光电子能谱(XPS)对铝酸酯处理的木片进行分析表明,铝酸酯处理可以使木材表面的羟基和羧基等亲水性基团与铝酸酯中的烷氧基发生化学反应,形成C-O-Al化学键,从而改善木材与聚合物基体的相容性。2.对复合材料进行力学试验,结果表明,加入POE可以有效地提高木粉/聚丙烯复合材料的抗冲击强度,虽然对强度性能会有负面影响,但是加入12%的POE仍旧可以使复合材料的强度性能满足标准要求,对于各种力学性能,两步造粒法要明显优于直接造粒法;加入3%的纳米CaCO3可以同步提高复合材料的无缺口冲击强度、拉伸强度、弯曲强度以及弯曲模量,这说明纳米CaCO3具有同步增韧增强的作用,然而,增加纳米CaCO3的用量对复合材料的力学性能会产生负面的影响;加入6%的木纤维也具有同步增韧增强的作用,但是进一步增加木纤维的加入量会使力学性能降低;正交试验的结果表明,POE对复合材料力学性能的影响十分显著,其次为木纤维,然后是纳米CaCO3,其中POE的加入量为12%,木纤维和纳米CaCO3的加入量分别为6%和3%可以最大程度地提高复合材料的冲击强度。3.对复合材料的动态力学分析试验表明,加入木粉以后,复合材料的储存模量E′急剧增加;POE可以降低复合材料的储存模量E′和β松弛转变温度;纳米CaCO3能够降低复合材料的β松弛转变峰值;加入木纤维也会出现降低复合材料储存模量E′和β松弛转变温度的趋势。4.对复合材料的内部结构和冲击断面进行扫描电镜分析,可以发现加入POE以后能够促进木粉在基体中的分散,而且在受外力冲击时能够产生“缩颈”现象;加入纳米CaCO3能够在基体上产生银纹效应,并且在受外力冲击时会产生应力发白现象;加入木纤维有助于应力在复合材料内部的传递,但是发现有“拉出”现象。5.使用转矩流变仪和毛细管流变仪测量复合材料的流变性能,结果表明,加入POE可以使复合材料的转矩降低,加入纳米CaCO3有助于降低复合材料的平衡转矩,而木纤维会使复合材料的转矩增加;从毛细管流变试验中可以发现logηa和log(?)呈现出较好的线性关系,这说明木粉/聚丙烯复合材料在测试条件下符合幂律定律;还可以发现复合材料的剪切粘度ηa随着剪切速率(?)的增加而呈现出减少趋势,这说明木粉/聚丙烯复合材料属于假塑性流体;另外加入POE和纳米CaCO3能够在一定程度上降低复合材料的粘度,而木纤维则会使复合材料的粘度增加。
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