表面改性苎麻/PLA复合材料的界面及力学性能研究

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天然纤维复合材料是一种低成本、易加工的低碳环保材料。苎麻/聚乳酸(PLA)复合材料力学性能优良,尺寸稳定性好,可生物降解。但是苎麻纤维与PLA树脂极性差异大,导致两者之间界面性能差,严重影响复合材料的力学性能。本论文对苎麻纤维进行化学表面改性,研究化学改性对苎麻/PLA复合材料界面性能、力学性能和降解性能的影响。首先,研究苎麻表面改性对苎麻与PLA树脂的微观界面性能的影响。表面改性处理方法有:氢氧化钠水溶液(NaOH),浓度分别为3%,5%和7%;氨基硅烷偶联剂溶液(APS),浓度为3%,5%和7%;NaOH和APS组合处理:用浓度为5%的NaOH水溶液对苎麻纤维进行预处理,再用浓度为5%的APS溶液处理。本部分结论如下:(1)红外线光谱分析测试(FT-IR)结果表明,只有用APS溶液处理的纤维试样存在780cm-1和1203cm-1的吸收峰,其中780cm-1对应的是-Si-C伸缩振动吸收峰,1203cm-1是-Si-O-C-键吸收峰。(2)纤维动态接触角测试结果表明,NaOH水溶液处理的样品吸湿性能提高,而经APS溶液处理后减小了纤维的吸湿性能。(3)微滴包埋拉出实验测试结果表明,浓度为5%的NaOH水溶液处理比其他浓度的NaOH处理效果好,其界面剪切力(IFSS)比原样提高了34.7%;浓度为5%的APS处理在同类处理方法中效果最好,IFSS比原样提高19.9%。经NaOH和APS组合处理后IFSS值最大,与原样相比提高了39.9%。(4)纤维表面经扫描电镜(SEM)观察可得,NaOH溶液处理后纤维表面大部分杂质、胶质等都被除去。但是对于APS溶液处理的的样品,其表面形态与原样相比没有太大的变化。(5)X射线衍射(XRD)测试结果表明,NaOH水溶液处理后,纤维结晶度有提高的趋势,但是经过浓度为7%的NaOH水溶液处理却有所下降。APS溶液处理后,纤维的结晶度却比原样小,其中结晶度最小的是经浓度为5%的APS处理。(6)纤维拉伸强度测试结果表明,浓度3%和5%的碱液处理后拉伸强度与原样相比有所增加;而经浓度7%的NaOH处理后下降。经浓度5%APS溶液处理后纤维强度比原样高。经NaOH和APS组合处理,强度提高幅度最大。再次,研究表面改性苎麻布对苎麻/PLA复合材料宏观性能的影响。该处理方法如同微观界面性能部分:浓度为5%的NaOH水溶液,浓度5%的APS溶液以及5%NaOH水溶液和5%APS溶液共同处理。复合材料成型是采用层合热压的方式。本部分结论如下:(1)力学性能测试结果表明,经5%的NaOH水溶液与APS溶液共同处理的复合材料力学性能最佳,拉伸强度增强了51.18%,弯曲强度增加了37.75%,耐冲击强度达到7.19kJ/m2。(2)热降解性能(TGA)测试结果表明,分解20%、50%、80%时的温度提高幅度最大的是浓度为5%APS溶液处理的样品,分别升高了41.75℃,9.98。C,10.06℃。但经组合式处理后的复合材料比原样的耐燃烧性能有所提高。(3)吸水性能测试结果表明,经过浓度为5%NaOH水溶液处理、浓度为5%APS溶液处理,以及5%NaOH和5%APS共同处理后的复合材料吸水量比原样少,并且吸水速率减慢。(4)由复合材料断裂截面的扫描电镜(SEM)可知,未经表面改性处理的复合材料试样断口参差不齐,并且有许多纤维被抽拔出来,而经NaOH水溶液以及APS溶液处理后的复合材料断口整齐,纤维大多是被拉断的,从基体中抽出的纤维较少。最后,对苎麻/PLA复合材料的降解性能进行了研究。经过6个月的降解研究,本部分结论如下:(1)NaOH处理后的复合材料重量损失率和强度损失最大,由于残留碱液对复合材料的腐蚀作用。(2)APS处理降低了复合材料的重量损失率以及强度损失,界面性能的提高缓解了复合材料的降解。
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