（纺织材料与纺织品设计专业论文）竹原纤维pla复合材料性能的研究.pdf

竹原纤维p l a 复合材料性能的研究中文摘要 竹原纤维p l a 复合材料性能的研究 中文摘要 竹原纤维是指采用独特的工艺从竹材中直接分离出来的纤维，具有密度低、强度 大等特点。p l a 是玉米秸秆等农作物经过发酵成乳酸后，由乳酸聚合而成，是一种 低熔点的热塑性材料。竹原纤维p l a 复合材料力学性能优异，在土壤中可被微生物 降解成二氧化碳和水，不污染环境。本文采用竹原纤维织物和p l a 薄膜或长丝制作 复合材料，研究其制作工艺和复合材料性能。 1 对竹原纤维、p l a 的结构与性能研究表明竹原纤维含有大量的亲水基团羟基， 回潮率为1 1 5 9 ，初始热降解温度3 1 9 9 1 ，竹原纤维的断裂强度为7 1 0 c n d t e x ； p l a 薄膜的熔点为1 4 9 。 2 研究复合材料的热压工艺，通过热压时间、温度和压力三因素的单因子与正交 试验，以复合材料拉伸强度为评价指标得出了最佳的热压工艺条件为：1 5 5 、2 5 m i n 、 1 5 m p a ；在此基础上，当竹原纤维的质量分数为4 6 时，复合材料纵向拉伸强度达到 最大值7 6 6 9 m p a 。 3 研究预处理对复合材料性能的影响，采用碱液和k h 5 5 0 、k h - 5 6 0 、k i - i 5 7 0 等 硅烷偶联剂对竹原纤维表面预处理，复合材料的拉伸强度由7 6 6 9 m p a ，分别提高到 1 0 3 2 6 m p a 、1 1 1 0 3 m p a 、9 4 6 9 m p a 、9 2 5 9 m p a ，同时弯曲强度也得到了一定的提高； 且扫描电镜分析表明经过预处理后的复合材料拉伸断裂截面较为平整。 4 研究复合材料湿热老化性能和降解性能，- 复合材料在沸水中煮泡半个小时后， 复合材料的吸水率在4 以下，在2 3 水中浸泡3 0 天后，复合材料的吸水率达到最 大值1 0 4 1 ，复合材料的拉伸强度有一定程度的降低。将复合材料在污泥中埋四个 月，其表面破损严重，质量损失2 8 7 5 3 7 3 1 ，拉伸强度损失6 5 9 7 7 9 7 8 。 5 研究织物结构对复合材料力学性能的影响。采用竹原纤维纱线和p l a 长丝交 织成了11 种织物，然后将该交织物和p l a 薄膜叠层热压，当竹原纤维纱线和p l a 长丝在纬向排列比为3 ：1 ，经纱捻度为9 0 t 1 0 e r a 、3 1 斜纹时，复合材料纵向拉伸强 度和弯曲强度达到最大值分别为7 2 9 8 m p a 、1 2 4 5 8 m p a 。 关键词：复合材料：竹原纤维；p l a ；复合材料性能；织物结构 作者：王溪繁 指导教师：王国和 r e s e a r c ho nt h ep r o p e r t i e so f n a t u r a lb a m b o of i b r e p l ac o m p o s i t e s a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h ep r o p e r t i e so fn a t u r a lb a m b o of i b r e p l a c o m p o s i t e s a b s t r a c t t h en a t u r a lb a m b o of i b e ri sa b s t r a c t e dd i r e c t l yf r o mt h eb a m b o om a t e r i a lb yau m q u e p r o c e s s ，a n d w i t ht h ep r o p e r t i e so fl o wd e n s i t y , h i 曲s t r e n g t ha n ds oo n 。p l ai s p o l y m e r i z e df r o ml a c t i ca c i dw h i c hi sf e r m e n t e db yc o r ns t a l k s o ro t h e rc r o p s i ti s t h e r m o p l a s t i cm a t e r i a lw i t hl o wm e l t i n gp o i n t t h en a t u r a lb a m b o of i b e r & p l ac o m p o s i t e m a t e r i a lh a se x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i tc a nb ed e g r a d e di n t ot h ec a r b o nd i o x i d ea n d w a t e rb ym i c r o o r g a n i s mi nt h es o i l a tt h es a m et i m e ，i td o e sn o tp o l l u t et h ee n v i r o n m e n t t h i sa r t i c l eu s e st h en a t u r a lb a m b o of i b e rf a b r i c sa n dp l af i l m so rp l af i l a m e n tt om a k e c o m p o s i t e sa n ds t u d i e st h ep r o d u c t i o np r o c e s sa n d t h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o m p o s i t e s ： 1 t h er e s e a r c ho nt h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo ft h en a t u r a lb a m b o of i b e ra n dp l a s h o w st h a tt h en a t u r a lb a m b o of i b e rc o n t a i n sm u c hs u b s t a n t i a lh y d r o p h i l i cg r o u p s - h y d r o x y g r o u p t h em o i s t u r er e g a i no ft h en a t u r a lb a m b o of i b e ri s 11 5 9 ，t h ei n i t i a lt h e r m a l d e g r a d a t i o nt e m p e r a t u r ei s319 91 ，t h eb r e a k i n gs t r e n g t hi s 7 10 c n d t e x n em e l t i n g p o i n to f p l af i l mi s1 4 9 c 2 s t u d yt h e t h eh o t p r e s s i n gp r o c e s so ft h ec o m p o s i tm a t e r i a l f i r s t ，w em a k e s i n g l e - f a c t o ra n do r t h o g o n a lt e s t h a s 丽t hh o t - p r e s s i n gt i m e ，t e m p e r a t u r ea n ds t r e s s t h e n b yu s i n gt e n s i l es t r e n g t hi nc o m p o s i t em a t e r i a la sa m e a s u r eo fe v a l a t i o ni n d e x ，w eg e tt h e b e s tt h e r m a lp r o c e s s i n gc o n d i t i o n s ：l55 c ，2 5 m i n ，15 m p a o nt h i sb a s i s ，t h el o n g i t u d i n a l t e n s i l es t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t em a t e r i a lr e a c h e st h eh i g h e s tv a l u eo f7 6 6 9 m p aw h e nt h e c o n t e n to fn a t u r a lb a m b o of i b e ri s4 6 3 s t u d yt h ep r e t r e a t m e n to np r o p e r t i e so fc o m p o s i t em a t e r i a l b yu s i n ga l k a l ia n d k h 一5 5 0 ，k h 一5 6 0 ，k h 一5 7 0o ro t h e rs i l a n ec o u p l i n ga g e n tt op r e t r e a t m e n tt h es u r f a c eo f t h e n a t u r a lb a m b o of i b r e t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t em a t e r i a li n c r e a s e sf r o m 7 6 6 9 m p at o10 3 2 6 m p a ，1 11 0 3 m p a , 9 4 6 9 m p a ，9 2 5 9 m ea tt h es a m et i m e ，t h eb e n d i n g s t r e n g t hi m p r o v e ss o m e a n dt h es c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ya n a l y s i ss h o w st h a tt h e t e n s i l ef r a c t u r ec r o s s s e c t i o no ft h ec o m p o s i t e si sm o r es m o o t ha f t e rp r e t r e a t m e n t 4 s t u d yt h ew e t h e a ta g i n gp r o p e r t i e sa n d t h ed e g r a d a t i o np r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e s a f t e rb r e w i n gi nt h eb o i l i n gw a t e rf o rh a l fa l lh o u r , t h ew a t e ra b s o r p t i o no ft h ec o m p o s i t e s i sl e s st h a n4 a f t e ri m m e r s i n gi nt h ew a t e ra tt h et e m p e r a t u r eo f2 3 f o rt h j 啊d a y s ，t h e w a t e ra b s o r p t i o na c h i e v e st o10 41 m a x i m u m ，m e a n w h i l et h et e n s i l es t r e n g t hr e d u c e sa l o t a f t e rb e i n gb u r i e di nt h es o i lf o r4m o n t h s ，t h es u r f a c em o r p h o l o g yd a m a g e s s e r i o u s l y , a n dt h eq u a l i t yo ft h es a m p l el o s e s2 8 7 5 - - - 3 7 31 ，t h et e n s i l es t r e n g t hl o s e s l i r e s e a r c ho nt h ep r o p e r t i e so f n a t u r a lb a m b o of i b r e & p l a c o m p o s i t e s a b s t r a c t 7 9 7 8 - - - 6 5 9 7 5 s t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h ef a b r i cs t r u c t u r eo nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o m p o s i t e m a t e r i a l i n t e r w e a v i n gt h en a t u r a lb a m b o of i b e ry a r na n dp l a f i l a m e n ti n t o1 1k i n d so f f a b r i c s t h e nh o t p r e s s i n gt h el a m i n a t i o no ft h ef a b r i c sw i t ht h ep l af i l m w h e nb a m b o o f i b e ry a ma n dp l af i l a m e n ta r ea r r a y e db yt h eo r d e ro f3 ：1i nt h ez o n a la n dt h et w i s to f w a r po fy a mi s9 0 t 10 c m ，3 1t w i l l ，t h es t u d ys h o w st h a tt h el o n g i t u d i n a lt e n s i l es t r e n g t hi s 7 2 9 8 m p aa n dt h ef l e x u r a ls t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t em a t e r i a l i s12 4 5 8 m p a k e y w o r d s ：c o m p o s i t e s ；n a t u r a lb a m b o of i b e r ；p l a ；p r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e s ；f a b r i c s t r u c t u r e i i i w r i t t e n b y ：w a n gx i f a n s u p e r v i s e db y ：w a n gg u o h e 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：邀日期：兰旦! z ：至! 三6 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：王；鍪垒日期：11 ：z ：三鱼 导师签名：垦娅日期：2 仁二垒 竹原纤维p l a 复合材料性能的研究第一章绪论 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 1 前言 复合材料是两种或多种性质不同的材料，通过物理或化学复合，组成具有两个或 两个以上相态结构的固体材料。通常选用高强度、高模量、脆性的增强材料和低强度、 低模量、韧性的基体材料经过一定的成型加工方法制成复合材料。其中纤维增强聚合 物复合材料是所有复合材料中最为重要的一类。在纤维增强复合材料中，纤维比较均 匀地分散在基体之中，在纤维方向增强基体，起最主要的承载作用。基体的作用是把 纤维粘结成一个整体，保持纤维间的相对位置，使纤维能协同作用，保护纤维免受化 学腐蚀和机械损伤，传递和承受剪应力，在垂直于材料中纤维的方向上承受拉、压应 力等1 1 。 目前常见的有碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、芳纶纤维复合材料以及植物 纤维复合材料；其中在植物纤维复合材料中，植物纤维1 2 1 是采用麻类纤维、竹纤维、 甘蔗渣、废弃木材或木粉、秸杆、稻壳、花生壳、椰子壳等，由于植物纤维在较高温 度下易焦化，所以通常使用能在2 0 0 左右熔融加工的p p 、p e 、p s 、p v c 、p e t 、 a b s 、a s a 和s a n 等热塑性树脂为基体【3 】。但上述复合材料的废弃物排放大量有毒 物质，破坏了生态环境，为了人类拥有美好的生存空间，必须用可生物降解复合材料 来代替传统的复合材料。以植物纤维为增强体，可降解树脂如聚乳酸( p l a ) 、3 聚羟 基丁酸酯和3 一聚羟基戊酸酯的共聚物( p h b v ) 、聚羟基丁酸酯( p h b ) 、聚己内酯( p c l ) 、 聚丁二酸丁二酯( p s s ) 、热塑性淀粉( t p s ) 、聚碳酸亚丙酯( p p c ) 掣4 击】为基体制作的 复合材料成为材料学科中的热点，因为它们的废弃物在土壤中会被降解，没有留下任 何有毒物质。 1 1 1 竹原纤维的化学组成及表面处理 竹原纤维的原料是竹材，竹子作为一种速生高产的植物，不仅栽种成活率高，成 长周期短，即使进行砍伐也不会对生态环境造成很大的影响。竹子是地球上最有生命 力的植物之一，一株高2 0 米的树生长可能需要6 0 年，而一根2 0 米高的竹子只需约 6 0 天。据统计，在不同环境下生长的竹子多达1 5 0 0 多种，从海平面到海拔3 7 0 0 米 的高山，都能够种植。而我国是世界上竹资源最丰富的国家，全国有竹林近5 0 0 万公 顷，产量1 3 亿吨，我国每年可砍竹材1 0 0 0 余万立方米，相当于年木材采伐量的1 5 左右【7 1 。竹原纤维的生产流程为：竹原纤维的生产工艺流程【8 】为：竹材一前处理工序 一分解工序一成形工序一后处理工序一竹原纤维成品，如图1 1 所示。 竹原纤维口l a 复合材料性能的研究第一章绪论 蚋卜匦园 图1 _ l 竹原纤维生成过程 1 竹原纤维的化学组成 竹原纤维的化学成分主要是纤维素、半纤维素和术质素，三者同属于高聚糖如表 1 1 ，总量占纤维干质量的9 0 以上，其次是蛋白质、脂肪、果胶、单宁、色素、灰 分等，大多数存在于细胞内腔或特殊的细胞器内，直接或间接地参与其生理作用。纤 维素是组成竹原纤维的主要物质，其含量多少与其生长地域和竹龄有关，竹龄越小， 纤维素含量越高，如毛竹嫩竹为7 5 ，一年生为6 6 ，3 年生为5 8 ；生产地域不同， 纤维素的含量也不同，一般为4 0 5 3 不等。纤维素大分子的基本链节是b - 葡萄糖 剩基，相邻的葡萄糖剩基转过18 0 0 ，彼此以l ，4 甙键相结合形成太分子。每个葡萄 耱剩基上有三个羟基。由于羟基的存在，决定了纤维素纤维比较耐碱而不耐酸，而且 具有一定的吸湿能力。竹原纤维中的半纤维素含量一般为1 4 2 5 ，毛竹平均含量 约为2 27 ，并且随着竹龄的增加，其含量也有所下降，如2 年生长竹2 49 ，4 年 生2 36 1 9 l ：半纤维素是由多种糖单元组成的复合聚糖的总称，它是无定形物质，是 纤维之间和微细纤维之间的“粘舍剂”和“填充剂”。半纤维素的聚合度较低，吸湿 易润胀。术质素是由苯基丙烷结构单元通过醚键和碳碳键联结而成的芳香族高分子 化合物，存在于胞间层和微细纤维之间，是竹纤维颜色的主要来源，大量术质素的存 在会影响到纤维的结构与性能，纤维中的术质素含量过高会使纤维变得租糙、刚硬【i q 。 灰分是由各种无机盐组成的，竹纤维中灰分的主要构成成分是s 1 0 2 。 表卜1 纤维素、半纤维素和木质素的组成 纤维组成物单体组成分子形态 纤维素 半纤维紊 c 出t 2 0 6 c 6 h 5 c c h 2 c h 线性高聚物 线性高聚物 木质素多缩戊糖三维网状高聚物 由表l 一2 1 1 - 1 5 】可以看出毛竹、慈竹中纤维素含量要比苎麻、亚麻低，接近于黄麻， 但要高于玉米秆( 3 8 4 0 ) 、麦秆( 3 48 ) 。而木质素和半纤维素要高于麻类纤维， 特别是木质素，毛竹达到3 06 7 ，慈竹高达3 12 8 ，而苎麻仅为o8 15 ，亚麻 为25 40 ，竹原纤维中这三者含量为纤维干重的9 0 以上，苎麻纤维中则占 8 0 9 2 ，其中纤维素主要起到强度方面的作用，术质素和半纤维索等成分主要起 同 竹原纤维p l a 复合材料性能的研究 第一章绪论 到韧性方面的作用。竹原纤维中果胶和灰分的含量比苎麻、亚麻、大麻纤维低。 表1 - 2 各种植物纤维成分比例 2 竹原纤维的表面处理 竹原纤维虽然具有密度低，强度大，加工时能耗小的优点，但含有大量的亲水性 基团羟基，而树脂基体是疏水性物质，两者相容性很差，影响到复合材料的界面层， 为了提高两者的界面粘结性能和复合材料的机械强度，必须对竹原纤维表面改性。常 用的方法有物理改性如碱液处理、放电技术、热处理法；化学改性如接枝共聚、纤维 素的酯化反应等。 ( 1 ) 碱液处理 碱处理法目前已广泛用于植物纤维的表面处理，它使植物纤维中的部分果胶、木 素和半纤维等低分子杂质被溶解以及使微纤旋转角减小，分子取向提高，纤维表面变 得粗糙、比表面积增大，从而提高纤维和树脂的相容性、浸润性、反应性以及粘结性 能。碱处理法取决于碱的溶解形式、碱的浓度、体系的温度、处理的时间、材料的张 力以及所用的添加剂等【l 6 j 。 ( 2 ) 有机硅烷偶联剂处理 偶联剂可以提高无机填料或无机纤维、植物纤维与聚合物之间的界面相容性。最 普遍接受的化学键理论解释了硅烷作为偶联剂改善木塑界面粘结性的机理，解释了硅 烷作为偶联剂提高复合材料的性能及湿热稳定性的原因。硅烷偶联剂结构通式 y s i ( o r ) 3 ，式中y 代表的是与合成树脂等有机材料化学结合的反应基团，o r 为可水 解性基团，遇水可引起分解而成s i o h 基，能与纤维素、无机物表面有较好的反应性。 硅烷偶联剂处理植物纤维反应机理可分以下四步：( a ) 与硅相连的三个s i o r 基水解 生成s i o h ；( b ) s i o h 之间脱水缩合成含羟基的低聚硅氧烷；( c ) 低聚物中的s i o h 与植物纤维表面的o h 形成氢键；( d ) 力l l 热干燥过程中低聚物中的s i o h 与植物纤维 表面o h 形成的氢键脱水而形成共价键连接。最终使植物纤维表面被硅烷偶联剂所覆 盖。常用的偶联剂有硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂及铝酸酯类偶联剂等【】7 网。 ( 3 ) 接枝共聚处理 竹原纤维p l a 复合材料性能的研究 第一章绪论 在天然植物纤维的表面接枝有机聚合物长链是提高纤维和聚合物间相容性最常 用的方法之一。纤维素材料的表面接上某些烯类单体的均聚物，可改善材料的吸水性、 浸润性和粘接性。纤维素接枝共聚方法主要有自由基聚合、离子型接枝共聚、缩聚与 开环聚合三种。常见的接枝单体有丙烯酸及其酯类、丙烯腈、苯乙烯、丙烯酰胺等。 接枝速率、接枝比例、接枝频率受到引发剂的种类、浓度以及被接枝的单体、反应条 件的影响【2 0 2 1 1 。 纤维素的羟基可以与有机酸或者酸酐反应生成纤维素酯，改变纤维表面官能团， 增加纤维表面与可生物降解塑料相容性。l e e 等用马来酸酐酯化处理竹纤维后，与 p l a 制各生物降解复合材料，提高了复合材料的力学性能【2 2 1 。黄丽、白绘宇等人用 苯甲酸、硬脂酸改性植物纤维，使纤维的极性与吸湿性降低，从而提高了植物纤维与 1 1 2p l a 树脂的生产工艺及特性 聚乳酸，其降解产物为二氧化碳和水，可以被植物光和作用所吸收，重新形成淀粉， 燃烧时不产生有毒气体，对环境无污染，属于可循环材料【2 4 】。 聚合法【2 5 1 。 直接聚合法得到的副产品水分难以除去，分子量较低，容易分解。大量实验及理 论研究表明，在反应过程中必须做好以下三方面才能得到较高相对分子质量的聚乳 酸：( 1 ) 动力学控制，( 2 ) 水的有效脱除，( 3 ) 抑制降解。三井化学公司采用连续共沸除 水溶液缩聚法，制得相对分子质量高达3 0 万的p l a 2 6 , 2 7 】。 ho ho ；一o - t - c 掣- c - ot h o - - c - - c - o - 1 t z h c 创呻 h l c 魄c 丙交酯开环聚合法，是目前全球使用较多的生产方法，荷兰的p u r a c 公司、美国 的g a r g i l l 公司、e c o c h e m 公司和日本的岛津公司均采用该方法，它是以辛酸亚锡为 催化剂，其反应过程主要有阳离子聚合、阴离子聚合和配位聚合这三种；先将乳酸原 料转化成丙交酯，然后把丙交酯开环聚合成所期望的高分子量的聚乳酸，分子量可达 上百万，缺点是目前工艺流程复杂，生产成本较高，不适合规模化生产【2 8 1 。 4 竹原纤维p l a 复合材料性能的研究第一章绪论 口 撕一一c v 0 良ch _ 壬。b u 聚乳酸纤维的制备所采用的原料是聚乳酸切片；纺丝方法【2 9 】主要有溶液纺丝法、 熔融纺丝法。溶液纺丝原液的制备一般采用二氯甲烷、三氯甲烷或甲苯作溶剂，由于 溶液纺丝法的工艺较为复杂，溶剂回收难、纺丝环境恶劣，从而限制了其应用。最常 用的熔融纺丝法中，必须首先除去水分以防止p l a 分解，该方法污染小、成本低、 便于自动化生产。日本钟纺公司已有商品名为“l a c t r o n ”的p l a 纤维以及美国最大 的农业公司c a r g i l l 和化学公司d o wc h e m i c a l 合作生产“i n g e o 纤维在生活中得到了 广泛的应用1 3 0 1 。 区域，使分子链破裂而形成较低的分子量，当大部分无定形区已降解时，才由晶区边 缘向晶区中心逐步降解；最后是微生物对残余物质的酶解作用。影响聚乳酸降解的速 率主要有纤维内部结晶度的比例、分子量的大小和外部环境的作用( 如细菌的种类、 天津大学的x y u a n 和香港理工大学的a 。f t m a k 等人曾研究了p l a 纤维在p h 值为1 1 的碱性溶液环境下处理数天，p l a 的分子量降解，纤维表面有微小裂纹、熔 点降低、纤维几乎完全失去了拉伸强力。胡玉群，陈君莉等人研究了p l a 纤维在p h 为1 0 1 和1 1 8 的条件下，酯键发生水解，强力损伤明显。碱性条件能促进聚合物链 上酯键的水解加速，p l a 在酸性条件下水解较慢，在中性环境中最慢【3 1 , 3 2 】。 1 2 纤维增强可降解复合材料的研究现状与应用 1 2 1 国外研究现状 近几年来，由于植物纤维增强复合材料有助于环境保护，欧美、日本等国的研究 者已经对可降解复合材料进行了大量的前期研究工作。t e r a m o t o 等人采用土埋法研究 了麻蕉纤维与p c l 、p h b v 、p b s 、p l a 复合材料的降解性能，并比较了麻蕉纤维的 加入对各种复合材料降解程度的影响【3 3 1 。b e n j a m i nb a x ，j o r gm u s s i 9 1 3 4 】采用注塑成型 工艺研究了亚麻增强p l a 的复合材料、c o r d e n k a 增强p l a 的复合材料，在亚麻p l a 复合材料中共制作了亚麻含量为10 、2 0 、3 0 三种板材，在c o r d e n k a p l a 材料 中制作了c o r d e n k a 含量为1 0 、2 0 、3 0 、4 0 四种板材，通过测试，发现当c o r d e n k a 竹原纤维p l a 复合材料性能的研究第一章绪论 含量为3 0 时，c o r d e n k a p l a 复合材料冲击强度、拉伸强度达到最大值分别为7 2 k j m 2 和5 8 m p a ，在亚麻p l a 复合材料中发现材料的最大杨氏模量是6 3 1 g p a 。s e u n g h w a n l e 和s i q u nw a n g 在竹纤维增强p l a 、p b s 中用l d i 作为添加剂，随着l d i 的添加， 复合材料的拉伸强度、耐水性能、增强体和基体的粘结性能得到了提高。当增大l d i 的质量分数时，两种材料的玻璃化温度升高，热焓降低；添加了l d i 的复合材料热 降解温度比没有添加l d i 的热降解温度要高1 3 引。s h i n j io c h i 研究了红麻增强p l a ， 对红麻进行了热分析后确定了复合材料的模压温度为1 6 0 ，当红麻的质量分数为 5 0 的时候，拉伸强度和弯曲强度达到2 2 3 m p a 和2 5 4 m p a ，并在实验室模拟了自然 降解过程【3 6 1 。n s m e 1 t a y e b 用甘蔗纤维的粉末和连续长纤维增强聚酯，甘蔗纤维的 长度对复合材料抗疲劳性能和拉伸性能有着重要的影响p 。d a v i dp l a c k e t t a 和t o m l o g s t r u p 用剑麻和p l a 复合，其力学性能明显比单纯的p l a 要高，并用气相色谱法 测试了降解性能【3 8 1 。k o k s m a n a ，m s k r i f v a r s 等采用双螺杆挤出机制备了亚麻纤维的 含量3 0 和4 0 的聚乳酸亚麻纤维复合材料，通过实验发现聚乳酸亚麻纤维复合材 料的力学强度比聚丙烯亚麻纤维复合材料高5 0 ，随着三醋酸甘油酯添加剂的增加， 拉伸强度减小，断裂伸长率增大【”】。s w o n g 和r a s h a n k s 掣4 0 】用亚麻纤维增强p l a 和p h b 的二元共聚物，研究了各种添加剂对界面剪切强度的影响，并用扫描电镜分 析了拉伸断裂截面的断裂形貌。v i l a s e c a 等发现用碱液处理黄麻纤维能有效提高麻纤 维淀粉复合材料的抗弯性能和冲击强度，同时分析了基体和黄麻的界面粘结性能【4 1 1 。 s a n j e e v 研究了枫木粉p h b v 复合材料的机械力学性能和热学性能，当枫木粉含量为 4 0 的时候，拉伸强度和弯曲强度比纯的p h b v 板材提高了1 6 7 ，储能模量提高，热 变形温度提高了2 1 ，然而热膨胀系数降低了1 8 l 4 2 1 。m m o r r e a l e 和r s c a f f a r o 通过 改变木粉的含量、直径和热处理来研究木粉增强淀粉基复合材料，结果表明随着木粉 含量的增加，复合材料的刚度变大，断裂伸长率急剧降低，同时研究了复合材料的耐 水性能【4 3 1 。 1 2 2 国内研究现状 应宗荣、戚裕等人研究木粉p l a 复合材料，随着木粉用量的增大，拉伸强度有 所增强，在木粉质量分数为4 0 时达到最大值，复合材料的拉伸强度高达7 9 4 m p a ， 比纯聚乳酸高4 1 8 ，采用偶联剂处理木粉使复合材料的拉伸强度略有下降，采用碱 液处理木粉后，复合材料的拉伸强度有一定的提耐4 4 1 。袁利华、韩建等人研究了黄麻 的铺层方向和黄麻的含量对黄麻p l a 复合材料的影响，当0 = 4 5 0 时，其复合材料的力 学- l i 工4 - 厶匕日匕最优【4 5 1 。天津工业大学的王瑞、王春红等人以亚麻落麻纤维制成非织造布预成 型件，采用模压工艺件制成亚麻落麻纤维聚乳酸基完全可降解复合材料，分别研究 了预成型件制作工艺中梳理次数、增强纤维体积分数及模压成型工艺中模压温度对复 6 竹原纤维p l a 复合材料性能的研究 第一章绪论 合材料拉伸性能的影响【4 引。紧接着他们又研究了竹原纤维非织造布增强聚乳酸复合材 料，测试了复合材料的力学性能和降解性能【47 1 。李申、周晔等人研究了聚乳酸和淀粉 在不同质量配比下，复合材料力学性能、热性能、吸水率的变化1 4 引。王艳玲、戚嵘嵘 研究了木粉与p l a 的相容性和力学性能【4 9 1 。张瑜用非织造布技术制作了竹纤维 p h b v 针刺毡，热压处理后制成竹纤维p h b v 复合材料，采用化学改性和等离子体 处理技术以提高复合材料中竹纤维、p h b v 之间的界面粘结强度p j 。王龙海研究了以 苎麻纤维为增强体，采用原位聚合法制备全生物降解苎麻纤维增强p l l a p c l 绿色 复合材料，探讨了复合材料的制各工艺、苎麻纤维的表面处理、纤维长度、纤维含量 等对该复合材料力学性能的影响【5 0 1 。徐山青对h e n e q u e n ( 属龙舌兰科多年生草本植 物) 纤维表面形态进行改性和预浸，提高h e n e q u e n 纤维与聚羟基丁酸戊酸酯( p h b v ) 树脂复合材料界面剪切强度，提高了8 9 t 5 1 】。容敏智和卢殉以氯代氰乙基化植物纤 维为基体树脂，剑麻纤维作为增强材料制备了全植物纤维复合材料，考察了在纤维素 酶和自然土埋作用下复合材料的失重和力学性能的变化1 52 | 。李亚滨和寇士军等人通过 在p c l 树脂中添加适量的竹纤维以提高复合材料的拉伸强度和拉伸模量，降低材料 的断裂伸长率，使用p c l g m a 作为相溶剂，可以改善复合材料的热学性能和耐水性 能【5 3 1 。万春杰、余剑英讨论了碱处理、苎麻纤维长度对苎麻聚碳酸亚丙酯复合材料 机械性能的影响，并借助扫描电子显微镜对复合材料的冲击断口形貌进行了观察p 引。 王俊勃、郑水蓉【5 5 】对醋酸纤维素进行改性处理，制备了苎麻纤维增强醋酸纤维素复合 材料。刘训垫、滕翠青采用原位聚合法制备了聚乳酸一聚己内酯( p l a p c l ) 苎麻复合 材料，在成型温度为1 7 0 下制备了纤维质量分数为4 5 的复合材料具有最优性能 f 5 6 j 。曹勇、陈鹤梅等人用甘蔗渣纤维增强聚己内酯( p c l ) 和淀粉的混合物，分析了纤 维的热分解性能，研究了纤维质量分数和纤维长度对材料弯曲模量的影响【57 1 。 1 2 3 纤维增强复合材料的应用 德国的研究机构对复合材料市场需求进行了调查，在欧洲，已经有3 5 0 0 0 0 吨的 生物复合材料使用在各行业中，图1 2 是通过注塑成型制作的办公椅骨结构和地板、 公寓户外小道以及机械滑轮。在2 0 0 5 年，德国的w p c 复合材料是5 0 0 0 吨，在2 0 0 7 年，是2 0 0 0 0 吨，预测欧洲目前w p c 产量是1 0 0 0 0 0 吨，以后木塑复合材料以年增 长率2 0 的速度增长1 5 引。 建筑装饰和土工材料：用于建筑装饰中的纤维增强复合材料具有质轻、高强、保 温、隔热、吸音、抗震好等特点，例如屋顶防水材料、复合门窗框、扶梯、软质百叶 窗、地板、室外路面等。而且在国内外广泛应用于道路桥梁施工材料、水利工程材料， 如用作铁路枕木、码头等1 5 蛐。 竹原纤s i r d p l a 复台材料性能的研究 第一章绪论 瞪 图1 - 4 复合材料应用实例 汽车行业的应用：纤维增强复合材料以每年数百万吨的速度进入汽车市场，应用 得到较快发展的原因是生产工艺简单、价格低廉、力学性能好、重量轻以及使汽车更 加安全、省油和减少尾气排放等。具体用作如保险杠、车后举门、踏板饰件、仪表板、 座椅扶手骨架、电池托架、噪音扳、各胎箱、车身底板系统等o o 捌。 过滤材料：工业生产中会伴随着有毒气体、液体产生，而且一些原材料舍随着液 体或者气体一起被排放掉，造成浪费；因此纤维复合材料可广泛用于化工、医药、食 品等行业的气体、液体过滤，降低生产成本，降低污染；还可作为超过滤、耐高温等 特殊功能滤料。 包装用材辩与其他方面：常见的纸箱子在潮湿环境中易发霉、腐蚀、力学性能差， 使用寿命有限，用植物纤维增强复合材料制作的包装箱子对商品的搬运、储存等有很 大的贡献、可以重复利用。其他方面应用如电缆包覆材料、磁碟村料、托盘、工具手 柄、路牌、音箱、手机外壳以及用作一些特殊功能的填充料等6 3 州l 。 l _ 3 本课题研究的主要内容及意义 13 1 主要研究内容 通过阅读大量的文献，发现对竹原纤维，p l a 复合材料的研究很少，经过大量的 试验后，对竹原纤维p l a 复台材料的制备及有关性能进行了如下的研究： 1 ，竹原纤维、p l a 结构与性能的研究。 2 ，热压工艺条件和竹原纤维质量分数对竹原纤维p l a 复台材料力学性能的影 响。 3 通过对竹原纤维进行硅烷偶联剂和碱滚预处理，改变竹原纤维的亲水性能和 8 竹原纤维p l a 复合材料性能的研究第一章绪论 热稳定性，研究预处理对复合材料力学性能的影响。并对复合材料的拉伸断裂截面进 行电镜扫描，分析了竹原纤维和p l a 界面的相容性。 4 研究了湿热环境对复合材料的吸水率和力学性能的影响。 5 通过活性污泥降解试验，测试了复合材料质量，外观和力学性能的变化。 6 研制竹原纤维纱线与p l a 长丝的交织物若干种，研究织物结构对复合材料力 学性能的影响，然后对该交织物进行表面预处理，测试了预处理对复合材料力学性能 的影响。 本论文的主要创新点：本论文用竹原纤维织物增强p l a 树脂，研究了复合材料 的吸水性能和在户外污泥中的降解性能。并制作了几种竹原纤维纱线和p l a 长丝的 交织物，研究了该交织物结构对复合材料力学性能的影响。 。 1 3 2 主要研究意义 1 环境保护和节约能源是人们最关心的问题，传统复合材料【6 5 】废弃后不能被自 然界降解，并且释放有毒物质，必然破坏环境并且使环境恶化，另一方面这些材料大 部分来自于石油的合成，地球的石油资源日益枯竭。因此开发新的可降解环保材料势 在必行，竹原纤维p l a 复合材料的废弃物在自然界中被微生物降解成二氧化碳和水， 对自然界没污染，它们经过光合作用后被植物所吸收变成生产原料，因此竹原纤维 p l a 复合材料具有优良的可持续利用及环境友好特性。 2 其次具有一定的经济和社会效益。p l a 发酵所需要的玉米秸秆等农作物和竹 子在农村有着丰富的资源，过去，竹子和秸秆的大部分被当作柴火烧掉，现在此复合 材料的开发能增加农民的收入，从而改善农民生活水平，符合国家扶持“三农”，“减 轻农民负担，增加农民收入”的发展政策。 9 竹原纤维p l a 复合材料性能的研究第二章竹原纤维、p l a 的结构与性能研究 第二章竹原纤维、p l a 的结构与性能研究 本章主要对竹原纤维和p l a 的结构与性能进行测试、分析，对竹原纤维p l a 复 合材料的制备和研究有一定的辅助作用。 2 1 竹原纤维的结构与性能 2 1 1 竹原纤维的结构 1 红外光谱分析( f t i r ) 红外光谱可以应用于化合物分子结构的测定、未知物鉴定以及混合物成分分析。 根据光谱中吸收峰的位置和形状可以推断未知物的化学结构；根据特征吸收峰的强度 可以测定混合物中各组分的含量；应用红外光谱可以测定分子的键长、键角，从而推 断分子的立体构型，判断化学键的强弱等。红外光谱中，在4 0 0 0 1 3 0 0 c m 。1 范围内， 每一红外吸收峰都和一定的官能团相对应，这个区域称为官能团区。1 3 0 0 6 5 0 c m 。区 域中虽然一些吸收也对应一定的官能团，但大量的吸收峰并不与特定官能团相对应， 仅显示化合物的红外特征，犹如入的指纹，称为指纹区f 6 6 】。 仪器：n i c o l e t 5 7 0 0 型红外光谱仪。 测试条件：k b r 压片法，恒温2 0 ，湿度6 5 。 4 d 0 03 5 u ub 0 0 02 5 u uz u u d1 5 u o1 d d d5 0 0u w a v e n u mb e r s ( c m ) 图2 1 竹原纤维的红外光谱 竹原纤维的红外分析如图2 1 所示，竹纤维的主要特征吸收峰与棉纤维几乎相同， 这也说明竹纤维与棉纤维相同仍属于典型的纤维素i ，这与x 射线衍射测定的结果相 吻合。在3 4 4 0 c m 1 附近出现很强的波段，是羟基的强伸缩振动所引起，说明竹原纤 l o 卸 帅 加 。 竹原纤维p l a 复合材料性能的研究 第二章竹原纤维、p l a 的结构与性能研究 维中含有大量的羟基，亲水性强，与疏水性聚合物的相容性较差。在2 9 0 2 8 c m q 处出 现c h 的对称伸缩振动，在1 6 4 2 2 c m 。和1 7 0 5 1 c m 以处有两个连续吸收峰，是半纤维 素中的羰基的伸缩振动吸收峰，1 4 2 9 c m 。1 处是c h 2 的弯曲振动，1 3 7 3 3 c m 1 处是c h 的弯曲振动，在1 3 8 1 8 1 c m 一，出现o h 的面内弯曲振动；1 2 8 1 9c m 以处是c h 的弯 曲振动；在1 0 5 9 c m 1 处，出现c o c 的伸缩振动，6 6 7 7 c m 。1 是羟基的