碳纳米纤维/黄麻/环氧树脂复合材料的制备与性能研究

论文摘要

纤维增强复合材料具有很多优良性能,已被广泛应用于工业、农业和民用等领域。近些年随着人们环保和可持续发展意识的增强,天然纤维复合材料的研究引起了更广泛的重视。黄麻是一种一年生再生纤维素纤维,具有强度大、密度小、价格低、可生物降解等特点。用黄麻纤维作增强纤维,对降低材料成本,减少生产过程的能耗及环境保护都是非常有利的。但现阶段天然纤维复合材料的力学性能与合成纤维复合材料的力学性能,如抗拉强度、抗弯强度等相比还有很大差距。纳米技术的兴起与应用,为高性能复合材料的设计与开发提供了一个有效的解决途径。碳纳米纤维具有独特的微观结构,极大的长径比和优异的力学性能,已成为先进复合材料的理想增强体。论文研究了黄麻纤维表面改性及提高碳纳米纤维在环氧树脂中均匀分散的方法；采用手糊热压成型法制备碳纳米纤维／黄麻／环氧树脂复合材料的方法；探讨了黄麻纤维含量和长度、黄麻表面改性方法,碳纳米纤维改性时间及含量对其环氧树脂复合材料力学性能的影响；使用SEM、X-射线衍射仪和电子万能实验机等对材料的结构和性能进行测试和表征；分析了复合材料微观结构与其性能之间的关系,确定了碳纳米纤维／黄麻／环氧树脂复合材料制备的较优工艺条件。以脱胶梳理后的黄麻纤维作为增强纤维,分别选择不同的纤维长度与含量加入到环氧树脂中制成复合材料,探讨了黄麻纤维长度与含量对环氧树脂力学性能的影响。实验结果表明：黄麻纤维的掺入对环氧树脂的力学性能有明显改善,且纤维的含量和长度对环氧树脂复合材料的力学性能有显著影响。随着纤维含量和长度的增加,复合材料的弯曲和拉伸强度呈先升高后降低的趋势。黄麻纤维在长度10mm,质量分数为20%-30%时,黄麻／环氧树脂复合材料的拉伸和弯曲综合性能比较好。纤维含量的增加和纤维长度的增加对材料模量的提升是有利的。随着纤维含量与纤维长度的增加,材料的模量也呈增加的趋势。但当纤维质量分数超过30%,纤维长度超过10 mm时,材料模量增加不明显。对黄麻纤维毡分别采用碱处理、硅烷偶联剂KH560处理、钛酸酯偶联剂NDZ201处理、轻度乙酰化处理和氰乙基化处理五种方法进行表面改性,分析了不同改性方法对黄麻表面及其环氧树脂复合材料力学性能的影响。结果表明：黄麻纤维毡经过不同的处理之后,纤维素的晶型未发生改变,但纤维的结晶度指数都有不同程度的下降,部分结晶区已转变成无定型结构,使黄麻纤维和环氧树脂之间的界面相容性提高,因此复合材料的力学性能有不同程度的改善。经过碱处理和氰乙基化处理后,其黄麻／环氧树脂复合材料拉伸强度的提升较为明显,分别比未处理试样提高60.5%和56.6%；硅烷偶联剂KH560和碱处理对复合材料弯曲强度的提升比较明显,分别比未处理试样提高54.3%和41.4%。在碳纳米纤维/黄麻/环氧树脂复合材料制备研究中,首先利用化学处理法及超声波技术对气相生长碳纳米纤维（简称VGNF）进行不同时间的改性处理,通过对处理后VGNF分散均匀性的分析,选取出最优改性时间,然后将VGNF按照不同含量加入到环氧树脂胶液中,制作成VGNF/黄麻/环氧树脂复合材料,探讨了VGNF的加入对其复合材料力学性能的影响。实验结果表明：改性能有效去除VGNF粉末中的杂质,并使VGNF表面拥有大量—OH和—COOH等极性官能团,但改性时间过长会使VGNF晶片层间距变大,对VGNF原有力学性能造成破坏；复合材料的拉伸性能和弯曲性能随VGNF含量的增加基本呈先增加后减小的趋势,拉伸强度和拉伸模量最高比未添加VGNF的黄麻/环氧复合材料高25.5%和34.1%,弯曲强度和弯曲模量则提高27.2%和16.1%；其冲击强度随VGNF含量的增加而递增,在VGNF含量为1.2%时,冲击强度比未添加的高109.1%。将碳纳米纤维应用在黄麻／环氧树脂材料中,可明显改善麻纤维复合材料的力学性能,因此是开发高性能麻纤维复合材料的一种有效途径,值得进一步的研究和探讨。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 纺织复合材料
• 1.1.1 纺织复合材料概述
• 1.1.2 天然纤维复合材料的特性
• 1.1.3 热固性树脂基复合材料
• 1.1.4 纺织复合材料的应用及发展趋势
• 1.2 相关课题国内外研究现状
• 1.2.1 麻纤维复合材料研究现状
• 1.2.2 碳纳米纤维复合材料研究现状
• 1.3 本课题研究的目的与意义
• 1.4 研究内容及创新点
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 本课题的创新点
• 第二章 理论基础及实验方案
• 2.1 理论基础
• 2.1.1 影响纺织复合材料力学性能的因素分析
• 2.1.2 黄麻纤维概述
• 2.1.2.1 黄麻纤维的结构
• 2.1.2.2 黄麻纤维的性能特点
• 2.1.3 碳纳米纤维概述
• 2.1.3.1 碳纳米纤维的结构
• 2.1.3.2 碳纳米纤维的性质
• 2.1.4 环氧树脂概述
• 2.1.4.1 环氧树脂的定义
• 2.1.4.2 环氧树脂的分类
• 2.1.4.3 环氧树脂的性能特点
• 2.1.4.4 环氧树脂的应用
• 2.2 实验方案
• 2.2.1 实验材料及主要仪器设备
• 2.2.1.1 原料与化学试剂
• 2.2.1.2 实验仪器
• 2.2.1.3 模具
• 2.2.2 复合材料的制备方法
• 2.2.2.1 树脂胶液的配制
• 2.2.2.2 复合材料板的制备
• 第三章 性能测试及评价方法
• 3.1 拉伸性能测试
• 3.1.1 测试原理
• 3.1.2 测试设备及条件
• 3.1.3 试样形式及尺寸
• 3.1.4 测试步骤
• 3.1.5 计算公式
• 3.2 弯曲性能测试
• 3.2.1 测试原理
• 3.2.2 测试设备及条件
• 3.2.3 试样形式及尺寸
• 3.2.4 测试步骤
• 3.2.5 计算公式
• 3.3 冲击性能测试
• 3.3.1 测试原理
• 3.3.2 测试设备及条件
• 3.3.3 试样形式及尺寸
• 3.3.4 测试步骤
• 3.3.5 计算公式
• 3.4 扫描电镜
• 3.5 X射线衍射
• 第四章 黄麻长度及含量与其复合材料的性能关系
• 4.1 黄麻纤维长度与复合材料性能关系
• 4.1.1 纤维长度设计
• 4.1.2 复合材料的制备
• 4.1.3 实验结果与分析
• 4.1.3.1 实验结果
• 4.1.3.2 纤维长度对复合材料力学性能的影响
• 4.2 黄麻纤维含量与复合材料性能关系
• 4.2.1 纤维含量设计
• 4.2.2 复合材料的制备
• 4.2.3.1 实验结果
• 4.2.3.2 纤维含量对复合材料力学性能的影响
• 4.2.3.3 材料断面SEM分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 黄麻表面改性与其复合材料的性能研究
• 5.1 改性原理与方法
• 5.2 本研究采用的改性方法与工艺条件
• 5.2.1 实验参数设计
• 5.2.2 制备过程及步骤
• 5.3 实验结果与分析
• 5.3.1 实验结果
• 5.3.2 处理方法对黄麻/环氧复合材料力学性能的影响
• 5.3.3 XRD分析
• 5.3.4 SEM分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 碳纳米纤维改性及VGNF/黄麻/环氧复合材料的性能研究
• 6.1 改性机理
• 6.2 改性方法和制备过程
• 6.2.1 VGNF的改性及分散
• 6.2.2 制板步骤及工艺
• 6.3 实验结果及分析
• 6.3.1 VGNF改性时间对其在环氧树脂中的分散影响
• 6.3.1.1 XRD分析
• 6.3.1.2 光学纤维摄像系统成像分析
• 6.3.2 VGNF含量对复合材料力学性能的影响
• 6.4 材料断面SEM分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢